@ 2019.09.30 , 11:15

看,太阳上在下雨

日冕中的“零点拓扑”(null-point topologies) 可以帮助我们理解两个由来已久关于太阳的秘密。
太阳总是从东方升起、从西边落下,这在一些成语中已然成为了永恒的象征。但在太阳研究者眼里,太阳并非如此简单。像高温下的一锅水,沸腾的太阳表面会在几分钟内发生巨大变化。扭曲的磁场蠕动着穿过太阳表面,肆意发出蕴含巨大能量的噼啪声,并在湮灭时释放出大量的物质。在这团混乱表面之上就是太阳的大气,而大气的最外层即为日冕层。

在太阳物理研究中,有两个主要的问题。第一个是为什么日冕的温度可以达到数百万开尔文而太阳表面却仅有千余开尔文。这个问题在学界已经存留了50余年,尽管观测方式与器械都有了长足进步,真理却仍然潜藏在黑夜里。

第二个则是和太阳风相关。这种等离子能流持续的倾洒在太阳系中的每颗行星和彗星上。与太阳其他部分一样,日冕填充着等离子体(plasma),这是一种被剥离了电子的高能粒子。因此等离子体充满着正离子和电子,也因此太阳强大的磁场能够束缚这些粒子,使它们沿着磁感线方向快速旋转。

太阳风由于速度,会分成两个快风和慢风两种类型。这是一种忽视这两种类型风组成和起源的简化称呼,但也是天文领域命名传统方式。快风来自于太阳开磁场区域,慢风的来源还不太明晰。现在一种主流的观点认为慢风来源于太阳开闭磁场区域间。是因为等离子气体受磁场线的影响,仅有当磁感线是开状态时,等离子气体才有可能逃离大气。这种描述交替开闭的过程被称为’交替重联’(interchange reconnection)。【太阳开磁场区域:磁感线一端在太阳上,另一端延伸向宇宙某处;太阳闭磁场区域:磁感线的两端都在太阳上(ps:实际上感觉 开磁场的区域的磁感线两端应该也是在太阳身上,只不过弧度过大,飘向了宇宙深处)】

在我的研究里发现了一些关于这两个问题的秘密。我观察到了日冕中被称为“零点拓扑”的微小结构,这种结构体里有被开磁场线包围的小型日冕环。它们看起来非常像俄罗斯大教堂顶上著名的洋葱圆顶。这些零点拓扑结构是日冕雨的主要原因。日冕雨是一团等离子体在几分钟内急剧冷却,随后落到太阳表面。

这个过程和地球上的降雨十分类似,如果那些雨水也被急剧磁化的话。这些等离子团形成并落在’圆顶’的磁感线上。’雨’经此两步形成,这些过程都揭示了一些关于太阳的重要信息。

我们首次观测到’雨水’是在’圆顶’的封闭环上,这些’雨水’在高处聚集,然后滑落,进而重复。这可以通过非平衡热力学(TNE)来解释。TNE是一种成熟的既定概念,即在限制环型区域的底部施加强热。在顶部区域冷却,使得等离子气体冷凝再滑落。
我所观察到环形区域也证实了该过程的存在性,同时这个过程极短也意味着大气中日冕加热的几率比以往所设想的要低。这也缩小了我们可探寻的范围来解释日冕极高温度现象。

第二个地方观察到’雨’的地方,也是’雨水’最多的地方,是沿着’圆顶’的尖和其延伸出的开区域线。TNE并不能解释这现象,但是什么能解释呢?答案是’交替重联’(interchange reconnection)。我看到的’雨’是新形成的开区域线在调整到新状态的结果。这使得零点拓扑成为研究慢太阳风形成的重要实验室。闭合磁场和开放磁场的接近为’交换重联’创造了一个完美的位置,因此从这些结构中应该可以观测到大量缓慢的太阳风。

太阳虽然是变化无常的,但对它的理解却不是。随着帕克太阳探测器和即将到来的太阳轨道飞行器等任务的完成,我们可以利用零点拓扑的数据来帮助揭开太阳的其余奥秘。

原文作者:Emily Mason 美国天主教大学博士生,NASA研究助理

本文译自 scientificamerican,由译者 fancymiao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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