破解太阳的神秘周期

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破解太阳的神秘周期

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近期，世界各地的美丽极光刷屏社交媒体，这种壮观的自然现象与太阳活动密切相关。几个世纪以来，天文学家一直在研究太阳磁场活动的规律。近日，一项发表在《自然》杂志上的新研究颠覆了人们对太阳磁场产生位置的传统认知，这一发现不仅有助于我们更好地理解太阳活动，还可能为太阳风暴的预测提供新的线索。

太阳是一个炽热的等离子体球，其表面不断翻滚沸腾。这个汹涌的区域被称为对流层，占据了太阳半径的顶部三分之一，延伸至表面以下约20万千米。科学家一直认为，太阳磁场应该产生于这片对流层。

产生磁场的过程被称为“太阳发电机”。它将太阳中翻腾的超高温等离子体能量转化为强大的磁场。在磁场的驱动下，太阳表面会出现绚丽的太阳黑子，即与其他白热部分相比相对更冷的黑点区域。早在文艺复兴时期，博学多才的伽利略·伽利莱就于1612年利用他发明的早期天文望远镜，首次对太阳黑子进行了详细观测。

图/Philippe Moussette at Observatoire Mont Cosmos, Quebec, Canada, Flickr, CC BY 2.0

但是，太阳表面之下发生的许多细节至今仍不清楚。太阳发电机就像一台巨大而精密的时钟，有许多复杂的部分在相互作用，但我们不知道到底有多少部分，也不知道它们是如何组合在一起的。可以说，太阳发电机是理论物理学中最古老的未解之谜。

新研究颠覆传统认知

过往研究认为，太阳磁场可能是由对流层最底部的运动产生的。然而，近期发表于《自然》杂志的新研究颠覆了这种结论。研究认为，太阳发电机始于比先前认为的更靠近恒星表面的地方。而这种现象发生的原因同样出乎意料。

为了准确定位太阳磁场的来源，许多科学家都用到了大型三维模拟，试图解决太阳内部多层等离子体流动的问题。这类模拟往往需要在超级计算设施上运行数百万小时，但产生的结果依然距离真实太阳的湍动相距甚远。

图/NASA/SDO/AIA/LMSAL

在新研究中，研究团队没有模拟整个太阳内部等离子体的复杂流动，而是希望探索表面附近等离子体流动的稳定性是否足以解释发电机过程的起源。

团队首先使用了日震学领域的数据，用观测到的太阳表面振动来确定表面之下等离子体的平均结构和流动情况。这些平均流看起来有点像一颗洋葱，不同层的等离子体相互交织。

接下来的问题便是，在这种平均结构上叠加等离子体流中的扰动或者微小的变化，能不能形成太阳磁场？

为了寻找这种模式，团队开发了新的算法，生成了一个精确的太阳表面模型。他们发现，当模拟靠近太阳表层顶部5%到10%范围内的等离子体流的扰动或变化时，就足以产生逼真的磁场模式。特别是，这种模式与观测到的太阳黑子的位置和时间尺度都很吻合。相比之下，在更深层进行的模拟结果却没那么逼真了。

团队之所以想到仔细研究附近表面的流动模式，是因为那里的条件和其他系统中的不稳定等离子体流很类似，比如黑洞周围的吸积盘。吸积盘是由气体和恒星尘构成的巨大圆盘，它们在一种被称为“磁旋转不稳定性”的过程的驱动下向着黑洞旋转。研究人员怀疑，这个先前被忽视的过程可能同样发生在太阳表面附近，很可能是产生太阳磁场的第一步。