面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

——中國科學院辦院方針

首頁 > 科學普及 > 科普文章

揭秘太陽

2020-09-29 中国青年报 叶雨婷
【字體:

語音播報

  根据势场源表面模型计算得到的太阳三维磁场结构。不同颜色的线代表磁力线,中间为光球磁场在视线方向上的分量分布图(Yang, Tian, Tomczyk, et al. 2020, Sci China Tech Sci

  CoMP测量的日冕磁场强度分布图叠加在SDO卫星拍摄的日冕图像上(Yang, Bethge, Tian, Tomczyk, et al. 2020, Science)。本文圖片由受訪者田晖供圖

  它給予我們光與熱,爲世間萬物賦予生命的色彩,主宰著麾下的所有行星……它,就是太陽。

  每個人都會認爲自己很熟悉這個頂在頭上的“大光球”。可是很少有人知道,太陽,這個太陽系的中心天體,占有太陽系總體質量的99.86%,包括地球在內的所有行星都依賴著它而存在,是太陽系的主宰,並且控制著行星際空間和地球空間的洪荒變遷。

  正因如此,天文學家們一直孜孜不倦地努力揭開太陽的奧秘。然而,這麽多年過去了,人類對于太陽一些性質的了解依然有限。不久前,北京大學地球與空間科學學院教授、中國科學院太陽活動重點實驗室主任田晖及其研究生楊子浩同學等人在日冕磁場測量方面取得重要進展。他們首次測量得到日冕磁場的全局性分布,也讓人們對于太陽的了解更進一步。

  星系主宰

  科學家們爲什麽一定要了解太陽?這是因爲,毫不誇張地說,太陽是我們太陽系的主宰。

  太陽不僅是地球上生命存在的關鍵,也在塑造我們周圍的空間環境方面發揮了重要作用,更是掌控著整個太陽系的“天氣”。而對于太陽來說,磁場具有極其重要的意義。

  田晖介紹說:“太陽磁場一直延伸到冥王星之外的日球層邊界,太陽還以每秒數百公裏的速度往外發射帶電粒子流,形成所謂的太陽風。太陽上的局部區域時不時也會發生太陽爆發,當這些太陽風暴猛烈襲擊地球時,會産生美麗的極光,但同時也會幹擾通信和導航系統,影響衛星及星載儀器的正常運行,甚至威脅宇航員的生命安全。”

  雖然太陽離我們很遠,但地球作爲太陽系中的一顆行星,時常會在太陽面前“戰戰兢兢”。例如,1989年的一場太陽風暴,就曾嚴重影響多顆衛星及星載儀器的正常運行,並造成加拿大魁北克省電力系統崩潰,北美地區數百萬人受到影響。類比地面上的天氣,太陽風暴及其對日地空間環境的擾動被稱爲空間天氣。

  “研究太陽,可以讓我們對空間天氣有更深的理解。目前,人們對于太陽風暴依然難以准確地預測,這對人類社會衆多高技術系統的正常運行帶來了很大影響。如果我們能夠對太陽各層大氣的磁場及其演化有深入了解,就可以較好地預測太陽風暴的發生及其對地球的影響。”田晖告訴中青報·中青網記者。

  而對于太陽本身來說,磁場是它最基本的屬性之一。首先,太陽黑子的11年周期本質上是太陽大尺度磁場的周期性轉化;其次,太陽系中最劇烈的爆發現象——太陽耀斑和日冕物質抛射通常是由太陽磁場的演化所驅動的;最後,與磁場相關的物理過程導致了太陽外層大氣——日冕的百萬度高溫,並因此産生充滿行星際空間的超聲速太陽風。

  因此,测量太阳磁场一直都是太阳物理学家最重要的使命之一。自17世纪初伽利略用望远镜观测和研究太阳算起,太阳物理的科學研究已经持续了数百年。然而受限于观测技术的水平,到20世纪初期,人类才开始利用原子物理领域的塞曼效应来测量太阳磁场。直到最近二三十年,人类才实现对太阳表面(光球层)磁场的高分辨率常规测量。

  揭秘日冕

  “然而迄今爲止,我們對太陽磁場的成熟測量僅僅局限在光球層。”田晖表示,光球之上的太陽大氣,尤其是最外層的日冕,其中的磁場仍難以測量。“100多年來,人們對于日冕磁場的研究進展非常緩慢,難以找到有效方法進行常規測量。因此,測量日冕磁場成了一個切切實實的世紀難題。”田晖說。

  田晖解釋說,這是因爲,日冕磁場比光球磁場要弱得多,日冕譜線因塞曼效應而分裂所産生的子線之間波長差很小;另外,日冕的高溫導致日冕譜線的輪廓變得很寬,使本來就不明顯的譜線分裂更加難以被測量出來。

  由于太陽大氣各層次中的磁場實際上是一個整體,磁場將各層大氣耦合在一起,這導致太陽上最重要的物理過程大多跟磁場的三維結構及其演化有關,因此,日冕磁場測量的困難極大地制約了太陽物理學科的發展。

  鑒于日冕磁場測量的困難,太陽物理學者通常只能在一些假設下,通過模型來重構出日冕磁場位形,用以研究太陽大氣動力學和太陽爆發等物理過程。但是,這些模型假設對于日冕中的有些區域不一定成立,而且不同模型重構得到的磁場結構經常不一樣。因此,人們急需對日冕磁場進行直接的測量。

  近年來,一種被稱爲“磁震學”的方法被一些學者認爲可以用于診斷日冕磁場。其基本原理是根據一些日冕結構中偶爾發生的震蕩或波動現象的觀測,結合磁流體波動理論,來診斷日冕中的磁場。

  “由于這些震蕩現象通常只是偶爾發生在日冕中很小的區域內,並且震蕩經過幾個周期後就衰減消亡了,因此只能診斷日冕中較小區域的磁場,無法用于對大視場範圍內磁場的常規測量。”田晖說。

  田晖教授和他的团队,利用高山天文台CoMP日冕仪的观测,将“磁震学”方法推广应用到日冕中普遍存在的磁流体波动上,从而首次测量得到日冕磁场的全局性分布,为日冕磁场测量这一世纪难题的解决提供了一个新的有效途径。两篇相关論文近日分别发表在Science雜志(《科學》)和Sci China Tech Sci雜志(《中國科學:技術科學》)上。

  據了解,這一研究成果實現了用冕震學方法測量日冕磁場從點、線到面的飛躍,填補了全局性太陽磁場測量的空缺,從而向實現日冕磁場常規測量的最終目標邁進了一大步。田晖表示:“一方面,未來我們需要建造更大口徑的日冕儀,從而獲得更高信噪比的觀測數據;另一方面,我們需要保持開放的心態,通過充分探索來發現更多的可用于測量日冕磁場的有效方法。”

  恒星探測

  除了地球,人類還能生活在什麽地方?也許有人認爲這只是科幻片裏才會討論的問題,但事實上,如今科學家們正在尋找除地球以外的宜居星球。

  要想找到像地球一樣的宜居星球,這顆行星需要處于距離恒星遠近合適的區域。在這一區域內,恒星傳遞給行星的熱量適中,行星不會太熱或太冷,可能存在液態水。此外,恒星的電磁輻射和爆發活動對系外行星的宜居性也有重要影響,這一新興的領域被稱爲“空間天氣宜居性”研究。

  “由于人類對其他恒星-行星系統的了解極少,因此當前空間天氣宜居性的相關研究大多是基于我們對太陽和日地系統中空間天氣的認識而發展起來的。太陽物理學者正積極推動這一新興前沿研究領域的進展。”田晖表示,太陽的“脾氣”相對較好,它狀態穩定,爆發活動也沒有那麽頻繁;但是很多其他的恒星卻沒有太陽這麽好的脾氣,頻繁和劇烈的爆發足以影響環繞它們運行的系外行星上生命的存在。

  未來,一方面我們需要參考對太陽的探測手段,大力推動對恒星的探測;另一方面,日冕加熱、太陽爆發和太陽活動周等重大問題依然困擾著我們,我們需要與世界各國一道,繼續推動對太陽的探測,尤其是空間衛星探測。

  田晖表示,我國在太陽低層大氣(包括光球和色球)的觀測方面實力較強,但在太陽高層大氣(包括日冕和過渡區)的觀測方面遠遠落後于美國、日本、歐洲等。目前,我國的日冕光學觀測設備僅有中日共建的麗江日冕儀。近年來,中國太陽物理界積極推動射電日像儀、白光和紫外日冕儀、極紫外成像儀和光譜儀、日食望遠鏡等日冕核心觀測設備的研制,期望提升我國對太陽高層大氣觀測的能力。

  空間太陽探測一直是世界強國空間探測的重點,從1995年至今,美、歐、日等一共發射了近10顆太陽探測衛星,平均不到3年發射一顆。

  “我国首颗太阳探测卫星——先进天基太阳天文台(ASO-S)也将于2022年前后发射,它将同时对太阳爆发及驱动爆发的太阳磁场进行观测。中国的太阳物理学者也在持续推动后续的太阳和恒星探測卫星计划,以缩小我国与发达国家在空间探测方面的巨大差距。”田晖说。

打印 責任編輯:董凱悅

掃一掃在手機打開當前頁

© 1996 - 中国科学院 版权所有 京ICP備05002857號 京公網安備110402500047號

地址:北京市三里河路52号 邮编:100864

电话: 86 10 68597114(总机) 86 10 68597289(值班室)

编辑部郵箱:casweb@cashq.ac.cn