太陽漣漪攪起人間恩怨 | 賽先生天文
太陽億萬年如一日地照耀著地球，讓生命得以孕育，文明得以延續(xù)。然而，肉眼中亙古不變的太陽只是表象。如果用極紫外或X射線來觀測的話，太陽會顯示出變幻莫測的另一副景象：在500公里厚的太陽表面光球?qū)又鲜潜容^薄的色球?qū)?，厚度僅1500公里，而在色球之上便急劇過渡到一直向外延伸的日冕，厚度可達(dá)百萬公里以上。
無論是在色球?qū)舆€是在日冕中，都存在著大量的爆發(fā)現(xiàn)象。一般來說，地震的強度越高，發(fā)生頻次就越低，太陽爆發(fā)現(xiàn)象也是如此。小爆發(fā)此起彼伏，而大爆發(fā)，包括很強的太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射，則只是偶爾發(fā)生。
如下圖所示，耀斑是太陽大氣中的局部增亮現(xiàn)象，其能量與百億顆原子彈爆發(fā)相當(dāng)。日冕物質(zhì)拋射則是幾十億噸的日冕物質(zhì)以幾百上千公里每秒的速度往外拋射。
我們知道，任何擾動都會激發(fā)波動。例如，當(dāng)雨點落入湖面，湖面便泛起一個個漣漪。太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射這些劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象，肯定也會在太陽大氣中激發(fā)各種波動。跟地表的空氣不同，太陽大氣是等離子體（固體、液體和氣體之外的物質(zhì)第四態(tài)），由帶正負(fù)電荷的粒子組成。在空氣中，擾動產(chǎn)生的是聲波，而在等離子體中，聲波和磁場耦合在一起，變成磁聲波。這些磁聲波，時時刻刻擾動著太陽系內(nèi)的星球，也包括我們所在的地球。
1960年代初，美國天文學(xué)家蓋爾·莫爾頓（Gail Moreton）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大耀斑發(fā)生時，在太陽表面的色球中可以觀測到一個波，后人稱之為莫爾頓波。這種波的強度很弱，但傳播速度高達(dá)1千公里每秒，且傳播距離跟太陽半徑相當(dāng)[1]。
起初，這些特征給研究人員帶來了很大的困惑，這是因為色球中的磁聲波速度僅100公里每秒左右，如果在色球中觀測到的莫爾頓波真的是在色球中傳播的磁聲波的話，那它只能是馬赫數(shù)約為10的強激波。如此強的激波對應(yīng)的擾動應(yīng)該很強，且衰減得很快，因此無法傳播很遠(yuǎn)的距離?？蛇@就和莫爾頓波的觀測特征相矛盾了。
這個難題一直到1968年才由日本天文學(xué)家內(nèi)田豊（Yutaka Uchida）解決[2]。他指出，太陽耀斑首先在日冕中激發(fā)磁聲波，該磁聲波的足點掃過太陽表面色球?qū)印Ｓ捎谌彰嶂写怕暡ǖ乃俣却蠹s是1千公里每秒，色球所受到的擾動也就同樣以1千公里每秒的速度傳播，就好比原子彈爆炸后沖擊波以幾十公里每秒的速度掃過地面。這個速度是由沖擊波在空氣中的傳播速度決定的，而不是由聲波在地面中的特性決定的。
內(nèi)田豊的模型雖然有些小瑕疵，但大體框架是正確的。根據(jù)這個模型，在太陽表面色球中出現(xiàn)莫爾頓波時，日冕中必定也存在一個波（我傾向稱之為日冕莫爾頓波），正是這個日冕磁聲波掃過太陽表面才產(chǎn)生了莫爾頓波。很可惜，由于日冕太稀薄，在此后的二十多年里都未能實現(xiàn)對日冕的高精度觀測，也就沒有探測到理論上應(yīng)該存在的日冕莫爾頓波。
1995年底，歐美聯(lián)合發(fā)射了太陽和日球?qū)犹綔y器（Solar and Heliospheric Observatory，簡稱SOHO衛(wèi)星），搭載的極紫外成像望遠(yuǎn)鏡（簡稱EIT望遠(yuǎn)鏡）能夠?qū)θ彰徇M(jìn)行比較高精度的觀測。美國天文學(xué)家芭芭拉·湯普森及其合作者在利用EIT望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)分析一個太陽耀斑時，赫然發(fā)現(xiàn)一個近乎圓形的漣漪從耀斑附近往外傳播，傳播速度約為250公里每秒，如下圖所示。由于該波動現(xiàn)象是由EIT望遠(yuǎn)鏡觀測到的，他們便稱之為“EIT波”[3]。EIT波是SOHO衛(wèi)星的重大發(fā)現(xiàn)之一。
他們的文章于1998年發(fā)表后在太陽物理界引起了廣泛的興趣，同時也帶來了二十多年的爭論。他們認(rèn)為EIT波就是內(nèi)田豊模型預(yù)言的日冕莫爾頓波，也就是說EIT波是日冕中的磁聲波。在此后的幾年時間里，大量天文學(xué)家從觀測和理論等不同角度去論證EIT波就是日冕磁聲波。
然而，就在整個太陽物理界幾乎要達(dá)成共識之際，懷疑的聲音悄然出現(xiàn)。1999年，法國博士后塞西莉亞·迪蘭妮（Cecilia Delannee）發(fā)現(xiàn)EIT波有時會突然停下來，而磁聲波是不可能停下來的，就像聲音即使碰到墻壁也會穿墻而過一樣。據(jù)此，她認(rèn)為EIT波不是磁聲波。更為重要的是，德國天文學(xué)家在2000年發(fā)現(xiàn)EIT波的平均速度只有日冕磁聲波速度的三分之一。這兩個觀測特征是磁聲波模型難以跨越的鴻溝。
此后，其它的模型也紛紛被提出，但磁聲波模型的擁護(hù)者們一直初心不改。他們這么做也有一定的道理：我們?nèi)苏f話都會產(chǎn)生聲波，太陽爆發(fā)那么劇烈，肯定會在日冕中激發(fā)磁聲波，而EIT望遠(yuǎn)鏡只觀測到了EIT波，那EIT波就應(yīng)該是磁聲波。
美籍華人、太陽物理學(xué)家吳式燦教授在2000年發(fā)表的文章中認(rèn)為EIT波是磁聲波。2001年我們決定對EIT波進(jìn)行合作研究。只是我那時年少衣衫薄，初生牛犢不怕虎，堅信法國博士后的懷疑，一心想探索EIT波的新機制，全然不顧當(dāng)初的國際主流觀點是磁聲波模型。
探索過程并不順暢，我做了各種嘗試，都沒能得到理想的結(jié)果。轉(zhuǎn)機出現(xiàn)在2002年初，我通過計算機模擬發(fā)現(xiàn)，日珥拋射產(chǎn)生日冕物質(zhì)拋射時，會在日冕中產(chǎn)生兩種波動現(xiàn)象，一快一慢?？斓木褪谴怕暡?，而隨后的波其傳播速度只有磁聲波的三分之一。據(jù)此，我認(rèn)為EIT波不是磁聲波，而是緊隨磁聲波之后的慢速波，這樣就正好和德國同行的統(tǒng)計結(jié)果一致了。
然而，計算機模擬出來的結(jié)果和觀測一致并不意味著解決了EIT波的屬性問題。電腦可以重現(xiàn)觀測特征，但它不會告訴我們?yōu)槭裁碋IT波的速度是磁聲波的三分之一。而這正是電腦無法替代人腦的地方。在結(jié)果出來之后好幾天之內(nèi)我都茶飯不思，滿腦子想著什么物理過程能產(chǎn)生一個以三分之一磁聲波速度傳播的波動。終于有一天，在喝茶的時候，靈感突然乍現(xiàn)，我想出了后來引以為豪的磁拉伸模型。
在下圖中，太陽上有一個凸起的結(jié)構(gòu)，被稱作日珥（即球頂藍(lán)色凸起）。日珥上方的紅線為日冕中的磁力線。當(dāng)日珥向上拋射時，其上方所有磁力線都將被推著往外拉伸（只有磁力線的足點固定在太陽表面）。我們的磁拉伸模型來自兩個設(shè)問：
問題1，隨著日珥向上拋射，哪些磁力線先被推著拉伸，哪些磁力線后被推著拉伸？
問題2，對同一根磁力線而言，哪個部位先被推開，哪個部位后被推開？
相信很多人都會得到正確的答案：（1）越靠近日珥的磁力線越早被推著往外拉伸；（2）對任何一根磁力線而言，頂部先被推著拉伸，之后才傳到足點。而這便順理成章地得到我們的模型：如下圖所示，日珥往上拋射后，上方第一根磁力線的頂部（A附近）首先被推著向外拉伸。在此之后，一方面A處的擾動沿著磁力線以磁聲波的速度傳到足點C，從而在C點形成EIT波的第一個波前，另一方面，A處的擾動也向外以磁聲波的形式傳到第二根磁力線的頂部B。同樣道理，B處的擾動沿著磁力線傳到足點D，從而在D點形成EIT波的第二個波前。也就是說EIT波不是直接由磁聲波從C點水平傳到D點，而是由AC產(chǎn)生第一個波前，再由ABD產(chǎn)生第二個波前，以此類推。
圖4：日冕EIT波傳播的物理過程，圖片來源：作者供圖
由于傳播路徑是曲折的，因此EIT波依次在C、D和F點出現(xiàn)的傳播速度就慢了。如果將磁力線近似為半圓環(huán)，則EIT波的速度等于CD的距離除以磁聲波抵達(dá)D點和C點的時間差，這樣很容易推導(dǎo)出EIT波的速度正好是磁聲波速度的三分之一，完美地解釋了EIT波的觀測特征！
藉此，我們在2002年預(yù)言：日冕物質(zhì)拋射發(fā)生時，極紫外望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該能觀測到兩個波，跑得快的是磁聲波，正是它激發(fā)了色球莫爾頓波，而跟著后面的才是芭芭拉·湯普森發(fā)現(xiàn)的EIT波[4]。很多人可能會問：為什么當(dāng)初EIT望遠(yuǎn)鏡沒有觀測到跑得快的磁聲波呢？這是因為EIT望遠(yuǎn)鏡每15分鐘才拍照一次，無法抓住快速的磁聲波。我們的預(yù)言在NASA發(fā)射SDO衛(wèi)星之后得到了大量觀測事件的證實[5]。從理論預(yù)言到大量觀測證實，足足等了10年！
2006年的世界空間科學(xué)大會在北京舉行，我應(yīng)邀作關(guān)于EIT波的報告。當(dāng)我剛開始作報告時，注意到有位外國女士急匆匆地跑到我們所在的會場。她沒有找位子坐下，而是在會場后端靠墻站著，非常專注地聽分享。我之前并沒有見過芭芭拉·湯普森女士，也不知道她會來參加會議，但我的第六感告訴我這個人應(yīng)該就是她。果不其然，待我演講結(jié)束后她徑直過來和我打招呼，告訴我她就是芭芭拉。
2008年我訪問美國，芭芭拉邀請我順訪她所在的NASA戈達(dá)德飛行中心，那里的太陽物理部是美國太陽物理研究的一個重鎮(zhèn)。在我介紹完我的EIT波模型和預(yù)言之后，太陽部主任非常高興，特意讓芭芭拉放一天假，帶我逛華盛頓。
盡管我認(rèn)為EIT波并非磁聲波已經(jīng)是“鐵證如山”了，但磁聲波模型的支持者們一直在捍衛(wèi)他們的觀點。瑞士空間科學(xué)國際研究所每年都支持跨國團(tuán)組就爭議話題進(jìn)行研討。2014年，磁聲波模型的支持者也召集了來自7國的9位同行，組成了一個團(tuán)組，我是其中唯一的磁聲波模型反對者。2017年我們聯(lián)合發(fā)表了一篇文章，文章的結(jié)論是：除陳鵬飛以外，其他所有作者都認(rèn)為EIT波是磁聲波。
好多年前，美國一位資深的磁聲波模型支持者曾經(jīng)跟我說：“你看，美國和歐洲好幾個反對磁聲波模型的年輕人都離開了太陽物理界”。確實如此，最早質(zhì)疑磁聲波模型的迪蘭妮女士因為找不到大學(xué)教職，最后去法國一所中學(xué)教物理。英國的阿特里爾女士也離開了太陽物理界，去了英國軍方。美國的威爾斯-戴維女士當(dāng)年撰寫大量文章批評磁聲波模型，后來也徹底離開了學(xué)術(shù)圈。想當(dāng)初2008年在加拿大蒙特利爾舉行的世界空間科學(xué)大會上，組織者邀請了威爾斯-戴維、歐洲的沃穆特和我作報告，就EIT波進(jìn)行三方辯論，我和她齊刷刷地批駁沃穆特的場景還歷歷在目。幸運的是，在我們國家，支持和反對磁聲波模型的人相安無事，真正體現(xiàn)了“君子和而不同”。學(xué)術(shù)界本來不就應(yīng)該這樣么？
一旦真相揭開，真正的物理過程可能簡單而優(yōu)美。但人們在探索真相的過程中也許會飽經(jīng)酸甜苦辣，也不可避免地會有讓人唏噓不已的“恩怨情仇”。太陽攪起的能量漣漪切實影響著我們所在的地球，也攪起了不同思想的激烈碰撞，這一碰就是20余年。
作者簡介：陳鵬飛，南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授，1999年畢業(yè)于南京大學(xué)天文系，從事太陽爆發(fā)現(xiàn)象的研究。擔(dān)任教育部天文學(xué)教指委秘書長、瑞士空間科學(xué)國際研究所（ISSI）學(xué)術(shù)委員會委員、《天文學(xué)報》副主編、《中國科學(xué)物理力學(xué)天文》等期刊編委。
制版編輯 | Livan
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