原標(biāo)題：日冕磁場 太陽大氣中的隱秘力量

來源：光明日報(bào)

原標(biāo)題：日冕磁場 太陽大氣中的隱秘力量

來源：光明日報(bào)

日冕是太陽大氣的重要組成部分，那些對地球空間環(huán)境有重大影響的太陽爆發(fā)事件，大多起源于日冕中。在它們背后，隱藏著一種神秘力量——日冕磁場，一直以來，人們對其了解甚少。近年來，隨著太陽觀測和測量技術(shù)的進(jìn)步，我們得以一窺日冕磁場的奧秘。

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太陽，是我們最熟悉的恒星，也是太陽系的能量之源。這個巨大的火球有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)：其內(nèi)部主要由日核、輻射區(qū)和對流區(qū)組成；外部的太陽大氣從低到高可以大致區(qū)分出光球?qū)?、色球?qū)?、過渡區(qū)以及最外層的日冕。日核是太陽的能量源，在那里，核聚變反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)變?yōu)楹?，釋放出源源不斷的巨大能量。輻射區(qū)在日核之外，能量在這里通過輻射的方式向外傳遞。到了對流區(qū)，能量以對流的方式傳遞，熱等離子體在此不斷上升、冷卻、下沉，形成各種流動。

太陽內(nèi)部的物質(zhì)運(yùn)動與太陽自轉(zhuǎn)一起，產(chǎn)生了強(qiáng)大的太陽磁場。太陽磁場從內(nèi)部一直延伸到外層大氣，并在太陽大氣中交織纏繞，形成復(fù)雜的磁場結(jié)構(gòu)，帶來各種不同的太陽大氣現(xiàn)象。比如太陽表面如黑斑一樣的太陽黑子，在太陽大氣中常發(fā)生的耀斑和日冕物質(zhì)拋射等劇烈的太陽爆發(fā)現(xiàn)象，都離不開磁場的支配。

在日全食期間，我們有機(jī)會見到太陽大氣中最外層的光暈，這就是神秘的日冕。日冕的溫度高達(dá)百萬攝氏度，比太陽表面要高許多倍，它極為稀薄，卻又充滿了復(fù)雜的磁場。日冕中的磁場儲存了大量能量，當(dāng)這些能量突然釋放時，會形成壯觀的太陽爆發(fā)現(xiàn)象。這些爆發(fā)在給地球高緯度地區(qū)帶來美麗極光的同時，也可能影響到地球上的高科技活動，如衛(wèi)星導(dǎo)航和通信系統(tǒng)。

理解太陽大氣中各種活動的產(chǎn)生過程，預(yù)測太陽爆發(fā)并減少它們對人類活動的影響，離不開對日冕磁場的研究。日冕物質(zhì)拋射屬于劇烈的爆發(fā)事件——大規(guī)模的太陽等離子體從日冕被拋射到太空中，到達(dá)地球時可能會擾動地球磁場，影響衛(wèi)星和電網(wǎng)等系統(tǒng)。包括日冕物質(zhì)拋射在內(nèi)的諸多太陽大氣中的活動，通常發(fā)生在日冕中，其能量來源于日冕磁場。它們是如何產(chǎn)生的？如何預(yù)報(bào)它們……回答這些問題，離不開對日冕磁場的研究。通過觀測和研究日冕磁場的結(jié)構(gòu)與變化，科學(xué)家可以更好地揭示這些活動背后的機(jī)制。而掌握日冕磁場的演化規(guī)律，則有助于提升空間天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，為人類高技術(shù)系統(tǒng)提供更多安全保障。

測量日冕磁場的幾種方法

人類首次測量其他天體的磁場，還要追溯到100多年前。1908年，太陽物理學(xué)家喬治·海爾在研究太陽黑子時首次發(fā)現(xiàn)了太陽磁場的存在。當(dāng)時，海爾利用的是一種被稱為“塞曼效應(yīng)”的物理現(xiàn)象：就像雨后太陽光被水滴分成五顏六色的彩虹，利用分光儀器，我們可以將光分出不同的譜線。在有磁場存在時，光的譜線會發(fā)生分裂，變成若干條線，譜線之間分裂的間距和磁場強(qiáng)度相關(guān)。海爾在觀察太陽黑子時注意到這一效應(yīng)，并由此獲得黑子中的磁場，從此改變了人類對包括太陽在內(nèi)的各類天體磁場的研究進(jìn)程。100多年間，人們已經(jīng)能夠利用塞曼效應(yīng)對太陽大氣的最底層，也就是光球?qū)拥拇艌鲞M(jìn)行常態(tài)化測量。可以說，我們對太陽光球磁場的認(rèn)知已經(jīng)比較成熟。

然而，太陽磁場是一個整體，各個層次之間的磁場并不是獨(dú)立無關(guān)的。盡管我們已經(jīng)能夠常態(tài)化地測量光球?qū)拥拇艌?，但光球上方的太陽大氣磁場，特別是日冕磁場，仍然充滿未知。這主要是因?yàn)槿彰岽艌鱿啾扔谙路降墓馇虼艌鲆鹾芏?，因此，塞曼效?yīng)產(chǎn)生的信號也會很弱，難以捕捉。這就對觀測設(shè)備的靈敏度提出了極高要求。好在近20年間，隨著探測技術(shù)和研究手段的進(jìn)步，科學(xué)家開始嘗試通過更多新的方式進(jìn)行日冕磁場的測量。

最傳統(tǒng)的測量日冕磁場的方法仍然基于塞曼效應(yīng)展開。但正如前文提到的那樣，日冕中的信號非常弱，難以捕捉。平時拍照時，在弱光情況下，我們或者需要用更先進(jìn)的相機(jī)來拍攝，或者需要通過增加曝光時間來捕捉這些暗光環(huán)境下的場景。對于日冕觀測，通常也是采取這兩種方式。2000年，夏威夷大學(xué)的科學(xué)家用一臺比較小的望遠(yuǎn)鏡，對日冕中的一片區(qū)域進(jìn)行了長達(dá)70分鐘的曝光，成功捕捉到日冕中微弱的塞曼效應(yīng)信號，并獲得其中的磁場信息。受限于望遠(yuǎn)鏡的大小和它的視野范圍，當(dāng)時用這種方法只能偶爾得到某一個小區(qū)域的日冕磁場信息，并且需要很長的觀測時間。在這之后20年間，人們幾乎沒有用這一方式再次測量到日冕磁場。

近年來，科學(xué)家研制了更先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，如丹尼爾·井上太陽望遠(yuǎn)鏡。這是一臺位于夏威夷的太陽望遠(yuǎn)鏡，也是目前世界上最大的太陽望遠(yuǎn)鏡。一般來說，望遠(yuǎn)鏡越大，能看到的結(jié)構(gòu)越精細(xì)，捕捉更弱信號的能力越強(qiáng)。利用丹尼爾·井上望遠(yuǎn)鏡，無需很長的觀測時間，科學(xué)家們就能夠捕捉到日冕中細(xì)微的塞曼效應(yīng)信號，并且成功測量到日冕中小范圍的磁場分布圖。

除此之外，人們也發(fā)展了其他一些研究手段，其中包括射電觀測。太陽上無時無刻不在發(fā)出射電信號，也就是各種無線電波。就像用收音機(jī)收聽信號一樣，利用射電望遠(yuǎn)鏡，我們可以對來自太陽的射電信號進(jìn)行接收和分析。日冕中產(chǎn)生的射電信號，其性質(zhì)離不開磁場的作用——不同的磁場環(huán)境下產(chǎn)生射電信號的機(jī)制不同，產(chǎn)生的射電信號也不同。分析接收到的射電信號，能夠判斷出這些信號如何產(chǎn)生、在哪里產(chǎn)生，并且推斷出產(chǎn)生區(qū)域具有怎樣的物理性質(zhì)，其中就包括它們的磁場性質(zhì)。這就是利用射電觀測來測量日冕磁場的基本原理。借助地面射電望遠(yuǎn)鏡陣列觀測，科學(xué)家能夠?qū)μ柹喜糠謪^(qū)域（比如耀斑發(fā)生的區(qū)域）進(jìn)行較為準(zhǔn)確的日冕磁場診斷，從而監(jiān)測這些區(qū)域的磁場變化。

揭開日冕磁場的神秘面紗

“冕震方法”是近20年來常用的一種日冕磁場測量手段。從名字上看，它和地震學(xué)的研究方法有類似之處——通過分析地震發(fā)生時的地震波信號，我們能夠探知地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；冕震方法則是利用發(fā)生在日冕中的波動或者震蕩的信號來分析日冕的物理特性。

這種方法依賴于日冕中的波動觀測，但這些波動現(xiàn)象并非始終存在，往往只在一些爆發(fā)現(xiàn)象時被激發(fā)。因此，利用這種方法只能偶爾得到日冕磁場信息。同時，這些信息只是日冕中某一個點(diǎn)或者某一條線上的磁場信息。

對于太陽物理研究而言，我們急需的技術(shù)，是像光球磁場測量那樣，能夠常態(tài)化獲得日冕大范圍、全局性的磁場信息。顯然，無論是現(xiàn)有的利用塞曼效應(yīng)的方法，還是借助射電觀測，又或者是基于過去的冕震方法，都無法實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)。

2020年，北京大學(xué)和美國國家大氣研究中心領(lǐng)銜的合作研究團(tuán)隊(duì)，發(fā)展了一種新的二維冕震方法。相比于以往的冕震方法，這一方法利用日冕中廣泛存在的波動，在二維平面上分析波動性質(zhì)，獲取日冕磁場信息。

我們將這種方法應(yīng)用于日冕多通道偏振儀的觀測數(shù)據(jù)。日冕多通道偏振儀是一臺能夠?qū)θ彰徇M(jìn)行全局性觀測的儀器，類似于日全食期間，我們將太陽的極亮盤面遮住，只觀察周圍相對暗淡得多的日冕。日冕多通道偏振儀的獨(dú)特性，讓研究團(tuán)隊(duì)獲得了日冕磁場的全局性二維分布，也就是整個平面上的分布。相比于以往的研究結(jié)果，這大大增加了我們所能獲取的信息范圍。這一成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

近期，北京大學(xué)太陽物理研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)領(lǐng)銜開展國際合作，利用升級版日冕多通道偏振儀首次實(shí)現(xiàn)了對日冕磁場的長期連續(xù)觀測。就像照相機(jī)的升級換代一樣，相比于過去，升級版日冕多通道偏振儀具有觀測更精細(xì)結(jié)構(gòu)和捕捉更弱信號的能力。研究團(tuán)隊(duì)在為期8個月的持續(xù)觀測中，利用二維冕震方法，繪制了114幅日冕磁場分布圖，展示日冕磁場隨太陽自轉(zhuǎn)的動態(tài)變化。這一常態(tài)化日冕磁場測量，為揭示日冕磁場演化過程提供了寶貴數(shù)據(jù)。通過優(yōu)化的二維冕震方法，團(tuán)隊(duì)得以觀測到更廣闊范圍內(nèi)的日冕磁場動態(tài)信息。這些數(shù)據(jù)首次為人們清晰展示了日冕磁場在幾個月時間內(nèi)如何持續(xù)演化，就像為日冕拍攝一部延時攝影的紀(jì)錄片。這一重要成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上，成為日冕磁場研究的又一重要突破。

隨著科學(xué)觀測手段的進(jìn)步，人類對日冕磁場的認(rèn)識不斷加深。從塞曼效應(yīng)到冕震技術(shù)，從光學(xué)觀測到射電觀測，科技進(jìn)步讓人類逐漸揭開日冕磁場的神秘面紗。從幾乎無法觀測到逐步實(shí)現(xiàn)常態(tài)化測量，太陽物理研究將因日冕磁場測量的進(jìn)展而逐步邁入新階段。我們正在往實(shí)現(xiàn)常態(tài)化的太陽大氣整體磁場測量的目標(biāo)邁進(jìn)，這不僅有助于科學(xué)家深入理解太陽活動的產(chǎn)生機(jī)制，還將提升人類應(yīng)對空間天氣的能力。

目前，全球多個新一代太陽望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目正在推進(jìn)，未來科學(xué)家將有能力獲取更加詳盡的日冕三維磁場數(shù)據(jù)。例如，中國剛剛建成的“子午工程二期”光譜成像日冕儀，能夠進(jìn)行類似升級版日冕多通道偏振儀的觀測，有望彼此形成互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)在不同時區(qū)接續(xù)觀測日冕磁場。

未來，我們希望能夠?qū)崿F(xiàn)對日冕磁場精細(xì)結(jié)構(gòu)及其快速演化的高清觀測。這將推動我們對太陽爆發(fā)的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，從而保障航天、導(dǎo)航等高技術(shù)活動的安全。

（作者：楊子浩 田 暉，分別系北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院博士研究生、教授）

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