最熟悉的陌生人：太陽磁場起源和反向之謎｜賽先生天文
2003年10月28日的太陽超級爆發(fā)
太陽是地球居民最熟悉的一顆恒星，她的東升西落，是再平常不過的現(xiàn)象。太陽黑子、耀斑、日冕，也是人們時(shí)有耳聞的名詞。然而，天文學(xué)家們卻說：No No No，我們并沒有自己想象中那么了解太陽，她是我們最熟悉的陌生人。
太陽活動(dòng)時(shí)而劇烈時(shí)而平靜，背后的原因是什么？磁向反轉(zhuǎn)11年掉個(gè)個(gè)兒，又是怎么一回事？關(guān)于太陽，謎團(tuán)重重，且聽天文學(xué)家怎么說。
汪景琇（中國科學(xué)院國家天文臺）
太陽是離我們最近的恒星，目前大約46億歲；太陽直徑大約是139萬公里，是地球直徑的1百多倍。從化學(xué)組成來看，現(xiàn)在太陽質(zhì)量的大約四分之三是氫，剩下的幾乎都是氦，包括碳、氮、氧、鐵和其他的重元素質(zhì)量少于2%。目前在太陽核區(qū)的氫元素正通過劇烈的核聚形成氦元素，往太空釋放大量的光和熱。
太陽僅是銀河系中數(shù)千億顆恒星中毫不起眼的一顆黃矮星。太陽也不位于銀河系的中心（圖1），而是離銀河系中心大約兩萬四千光年。正是普通的太陽孕育了地球上豐富多彩的生命，包括人類。唯其普通才更具普遍意義，對太陽的理解成為人類打開恒星奧秘之門的鑰匙。它也把我們帶入宇宙磁學(xué)研究的大門，成為宇宙等離子體研究的最好實(shí)驗(yàn)室。
圖1. 銀河系俯瞰圖： 銀河系有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包括中心區(qū)域的核球和超大質(zhì)量黑洞；優(yōu)美的旋臂上分布著許多分子云和恒星形成區(qū)。太陽位于其中一個(gè)旋臂上，離銀河系中心大約兩萬四千光年（圖片來源：www.nature.com/news/galaxy-formation-the-new-milky-way-1.11517）。
盡管看似普通，但是太陽內(nèi)部的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。通過觀測和理論研究，天文學(xué)家得到了一個(gè)大致的圖像。圖2顯示了太陽內(nèi)部的分層結(jié)構(gòu)。位于太陽中心的是產(chǎn)生核聚變的日核和輻射區(qū)，而外部是對流層。兩者之間的旋切層被認(rèn)為是太陽強(qiáng)磁場產(chǎn)生的孕床。對流層頂之上是太陽大氣的光球、色球、過渡區(qū)和日冕；發(fā)生于其中的最典型的活動(dòng)對象黑子（圖2左上插圖，包括米粒結(jié)構(gòu)）、日珥和耀斑已在圖中標(biāo)明（我們將在其他文章中予以介紹）。
圖2. 從太陽內(nèi)核到輻射區(qū)和對流層的分布（已按實(shí)際大小等比例縮小）；輻射區(qū)和對流層之間的旋切層被認(rèn)為是太陽強(qiáng)磁場產(chǎn)生的孕床。對流層頂之上是太陽大氣的光球、色球、過渡區(qū)和日冕；發(fā)生其中的最典型的活動(dòng)對象黑子、日珥和耀斑已標(biāo)注圖中。
太陽黑子作為太陽磁場和太陽活動(dòng)最顯著的標(biāo)志，首次被人類通過望遠(yuǎn)鏡觀測到，是由伽里略在1610年實(shí)現(xiàn)的（中國人2000多年前就有了太陽黑子的書面記錄）。太陽黑子的11年周期，即太陽活動(dòng)周，由施瓦布于1843年發(fā)現(xiàn)（Schwabe，1844）。然而，直到1908年，黑爾才基于物理學(xué)中的Zeeman效應(yīng)，對太陽黑子做光譜學(xué)診斷，發(fā)現(xiàn)了太陽黑子的強(qiáng)磁場（Hale, 1908）。這是人類第一次用物理學(xué)原理和方法研究天體對象，也是人類第一次在地球之外發(fā)現(xiàn)磁場。這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著太陽物理學(xué)，或確切地說，天體物理學(xué)的誕生。黑爾本人創(chuàng)造了英文單詞“Astrophysics”，創(chuàng)辦了著名的天文學(xué)期刊 The Astrophysical Journal。
人類對太陽的研究要早于其他天體物理對象，許多發(fā)現(xiàn)已耳熟能詳。那么，我們是否可以不必再花時(shí)間在太陽研究上了？實(shí)際上，太陽物理中還有許多難題，而這些問題對暗弱和遙遠(yuǎn)的天體有相當(dāng)?shù)钠毡樾?，比如說，其中最重要的一個(gè)問題就是太陽磁場從何而來？
正是因?yàn)榇艌龅拇嬖诓攀沟锰柈a(chǎn)生了多姿多彩的眾多天文現(xiàn)象。磁場和等離子體相互作用，在太陽大氣中產(chǎn)生了美麗繽紛的結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)激烈的活動(dòng)現(xiàn)象，形成膨脹的高溫日冕和太陽風(fēng)（圖2）。物理學(xué)家萊頓（R. B. Leighton）說過，太陽如果沒有磁場，就會成為一個(gè)枯燥的對象。拉莫爾（Larmor, 1919） 是第一個(gè)探討太陽的自轉(zhuǎn)是如何產(chǎn)生磁場的。然而，直到1955年，帕克才從第一原理出發(fā)，導(dǎo)出得到一個(gè)被稱為發(fā)電機(jī)方程的基本方程，通過求解解釋了太陽磁場起源和黑子的11年周期等諸多現(xiàn)象（Parker, 1955；圖3）。
圖3. 太陽活動(dòng)周期：從1980 年（活動(dòng)極大期）、1986年（接近活動(dòng)極小期）到1989年（再次接近活動(dòng)極大期）的太陽磁場強(qiáng)弱的變化：中圖-太陽黑子數(shù)變化；上下圖-色球Ha單色像展示的太陽活動(dòng)水平變化。（圖片來源： NASA）
把這一理論建筑在更堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)上的是德國學(xué)者（Steenbeck, Krause, Radler 1966），他們通過認(rèn)知湍動(dòng)等離子體的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，發(fā)展了平均場的磁流體力學(xué)理論。在帕克提出發(fā)電機(jī)方程的同年，貝博庫克父子（Babcock & Babcock，1955）發(fā)現(xiàn)了太陽的極區(qū)磁場, 即太陽的普遍磁場，通常被稱為極向磁場。太陽活動(dòng)周被描述成太陽極向磁場與以太陽黑子為代表的環(huán)向磁場交替產(chǎn)生循環(huán)往復(fù)的過程（圖4）。
圖4. 過去三個(gè)太陽活動(dòng)周太陽極向磁場（粗實(shí)線和虛線分別描述北極和南極磁場強(qiáng)度的變化）和太陽環(huán)向磁場（點(diǎn)線是太陽黑子相對數(shù)）的變化。
從太陽磁場演化的觀測分析出發(fā)，貝博庫克（1961）和萊頓（1964，1969）提出了磁通量輸運(yùn)發(fā)動(dòng)機(jī)的思想。由于黑子群的前導(dǎo)和后隨極性浮現(xiàn)時(shí)，其磁軸對于赤道方向幾乎都有一個(gè)傾角，超米粒（圖2左上角插圖中的米粒結(jié)構(gòu)）對流元的隨機(jī)游動(dòng)和太陽經(jīng)向環(huán)流（meridional flow）會將后隨極性的磁通量向極區(qū)輸運(yùn)，形成新的極向磁場分量。這種從環(huán)向磁場產(chǎn)生極向磁場的機(jī)制被稱為貝博庫克-萊頓（BL）機(jī)制，等效于平均場理論中渦旋對流的a效應(yīng)，被稱為貝博庫克-萊頓 a效應(yīng)。
磁通量轉(zhuǎn)移發(fā)電機(jī)主導(dǎo)了近十幾年太陽發(fā)電機(jī)研究的方向。圖5大致描述了磁通量轉(zhuǎn)移發(fā)電機(jī)是如何運(yùn)行的。國家天文臺研究員姜杰及其合作者（2016）詳細(xì)討論了磁通量輸運(yùn)發(fā)電機(jī)中主要的物理過程。
圖5. 磁通量輸運(yùn)發(fā)電機(jī)運(yùn)行示意圖。太陽極向磁場因較差自轉(zhuǎn)形成太陽環(huán)向磁場（第一排）；環(huán)向磁場浮現(xiàn)到太陽表面，其磁軸的傾斜提供了新的極向磁場分量（第二排）；通過經(jīng)向環(huán)流和超米粒隨機(jī)游動(dòng)，環(huán)向磁場的后隨分量向極區(qū)輸運(yùn)，形成新的極性相反的極向磁場（第三排），使太陽活動(dòng)周期得以循環(huán)往復(fù)（插圖取自Dikpati等，2006）
經(jīng)過差不多百年的努力，讓我們有了一個(gè)理解太陽磁場產(chǎn)生和變化的物理框架。然而，正如美國的科學(xué)（Science）雜志在創(chuàng)刊125周年時(shí)指出，人們依然無法按照現(xiàn)有的理論，模擬再現(xiàn)太陽活動(dòng)的22年磁周期（經(jīng)過兩個(gè)黑子周期（注：兩次反向），太陽極向磁場的極性才得以恢復(fù)）：或者其中關(guān)鍵的細(xì)節(jié)依然在我們掌握之外，或者我們需要一個(gè)全新的理論從頭來過。太陽活動(dòng)周的產(chǎn)生機(jī)制，因而被選為未來25年人類必須回答的125個(gè)重大科學(xué)問題之一。除此之外，下面簡單列出有關(guān)太陽磁場研究的其它幾個(gè)關(guān)鍵問題。
現(xiàn)有的理論是針對太陽平均磁場的，無法描述真實(shí)磁場的起源和演化。例如，磁通量輸運(yùn)發(fā)電機(jī)研究仍限于兩維、軸對稱的情形，描述的是每個(gè)太陽自轉(zhuǎn)周平均磁通量密度隨緯度和時(shí)間的演化。人們熟知的太陽強(qiáng)磁場和大耀斑常常出現(xiàn)在特定的“活動(dòng)經(jīng)度”或“活動(dòng)穴”內(nèi)的事實(shí)無法得到解釋（見Berdyugina等，2006）。
現(xiàn)有的研究局限于運(yùn)動(dòng)學(xué)發(fā)電機(jī)。對磁場產(chǎn)生起決定性作用的較差自轉(zhuǎn)（differential rotation）和經(jīng)向環(huán)流，是基于日震學(xué)觀測事先給定的。發(fā)電機(jī)理論中的隨機(jī)性和非線性，也是基于活動(dòng)區(qū)觀測經(jīng)驗(yàn)引入的（Jiang 等，2015）。我們離建立和求解動(dòng)力學(xué)發(fā)電機(jī)方程的目標(biāo)還相距甚遠(yuǎn)。
對發(fā)電機(jī)理論中起決定性作用的磁擴(kuò)散（Magnetic diffusion）的理解是非物理的。在數(shù)值模擬中，磁擴(kuò)散被簡單地處理成磁通量的代數(shù)和相加。不同于灰塵之于大氣、溶質(zhì)之于溶液的擴(kuò)散，發(fā)電機(jī)理論中的磁擴(kuò)散，有磁拓?fù)涞母淖兒痛磐康匿螠纾ū热绱胖芈?lián)）。磁擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)當(dāng)由等離子體湍動(dòng)性質(zhì)導(dǎo)出和決定。
我們對太陽和恒星中的孟德爾極小現(xiàn)象（Eddy，1976），即在太陽和恒星15-25%的生命周期中，會出現(xiàn)沒有磁場或磁場很弱的現(xiàn)象（圖3和圖4），還沒有一個(gè)可靠的理解。我們不但不知道其產(chǎn)生的原因，更不知道“正?！钡拇呕顒?dòng)如何從幾無黑子的狀態(tài)中復(fù)蘇。圖6描述了2006年開始的太陽活動(dòng)“巨極小”和“微極大”的罕見情形。有學(xué)者懷疑，當(dāng)前一個(gè)新的太陽孟德爾極小期是否正在到來。
圖6. 從2006年開始太陽巨極小和微極大現(xiàn)象：黑子相對數(shù)（黑實(shí)線）、太陽總輻射（藍(lán)色點(diǎn)、實(shí)線）、超級太陽活動(dòng)區(qū)（綠色直方圖）和X級強(qiáng)太陽耀斑（紅色直方圖）變化圖示（陳安芹提供）。
對參與太陽發(fā)電機(jī)過程的太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)，我們所知甚少。例如經(jīng)向環(huán)流，只在太陽表面有測量；不止一個(gè)經(jīng)向環(huán)流的報(bào)道（Zhao 等，2013）對太陽磁通量的產(chǎn)生和輸運(yùn)提出了新的挑戰(zhàn)。對旋切層（圖2）的性質(zhì)，也仍在研究中。
太陽因磁場的存在而變得絢麗多姿，而太陽磁場變化引起的劇烈活動(dòng)對地球、行星際和太陽系天體產(chǎn)生的影響更是跨學(xué)科的重大科學(xué)難題。盡管太陽磁場的研究還有許多問題懸而未決，但它已經(jīng)為探究宇宙尺度上的磁場起源起到了重要的啟示作用。更多的恒星磁場已被定量測量，銀河系的磁場已被初步成像，對河外星系（圖7）和宇宙早期的磁場研究也是天文學(xué)的前沿領(lǐng)域。磁場無疑是天文學(xué)里非常棘手而又引人入勝的最基本問題之一。
圖7. 在旋渦星系M51中的磁場走向，在主星系和子星系間磁場走向出現(xiàn)變化和不連續(xù)；白色等高線表示了總的射電強(qiáng)度。右上角標(biāo)明了9千光年的尺度。（圖片來源：http://www.mpifr-bonn.mpg.de/research/fundamental/cosmag）。
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作者簡介
汪景琇：中國科學(xué)院院士，太陽物理學(xué)家。 1969年畢業(yè)于北京大學(xué)地球物理學(xué)系，1987年在中國科學(xué)院北京天文臺獲理學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為中國科學(xué)院國家天文臺研究員。 長期從事太陽磁場和太陽活動(dòng)研究。與合作者系統(tǒng)地提出了對太陽向量磁場研究的方法、概念和表征量，定量描述太陽活動(dòng)區(qū)磁能積累過程；發(fā)現(xiàn)活動(dòng)區(qū)磁剪切具有總體規(guī)則性，對活動(dòng)區(qū)磁螺度最早給出定量估計(jì)。由向量磁場觀測，發(fā)現(xiàn)太陽低層大氣中磁重聯(lián)存在的證據(jù)，提出太陽活動(dòng)中存在兩階段磁重聯(lián)的思想。通過前所未有的定量測量，提出太陽網(wǎng)絡(luò)內(nèi)磁場是區(qū)別于黑子和網(wǎng)絡(luò)磁場的內(nèi)稟弱磁場分量，對太陽總磁通量有重要貢獻(xiàn)。曾獲國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、中國天文學(xué)會張鈺哲獎(jiǎng)，現(xiàn)為《天文和天體物理學(xué)研究》雜志主編。
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