新泽西理工学院日地空间科学

茫茫星河，有多少人类未曾探知的秘密？

“为什么日冕那么热”“暗能量是什么”“暗物质是什么”“重子哪里去了”“恒星是如何爆炸的”“是什么使宇宙再电离”“各种高能宇宙射线的源头是什么”“为什么我们的太阳系如此独特”？2012年，美国《科学》杂志将上述问题评选为当代天文学八大未解之谜。

近日，北京大学田晖教授、谭摩伊·萨曼塔博士及其合作者在破解“日冕加热”之谜的征途上取得重要进展，其研究成果——题为《太阳针状物的产生和加热》的研究论文日前发表在《科学》杂志。记者了解到，该课题组利用氢原子Hα谱线，对太阳低层大气中普遍存在的一种小尺度喷流——针状物进行了高时间（约3.5秒）和高空间分辨率（约45千米）的成像观测研究，并利用铁原子的1.56微米谱线，对太阳磁场进行了极高灵敏度的测量。课题组分析数据发现，不同极性磁场结构之间的相互作用产生了针状物，而针状物在往外传输过程中引起了局地日冕的加热。

日冕加热之谜：日冕温度为什么高达百万度量级

在了解日冕加热之谜前，我们首先要知道，什么是日冕。

论文作者之一、田晖的博士生陈亚杰介绍，日冕是太阳的外层大气，亮度大约是太阳表面（光球）的百万分之一。平时，日冕发出的微弱光线被太阳表面（光球）发出的光所掩盖，所以我们无法看到日冕。当日全食发生，月亮完全挡住太阳圆盘时，我们就可以看到围绕着月亮阴影的光圈，这光圈最开始被误认为是地球大气造成的。

直到1806年6月16日的日全食，西班牙天文学家何塞·华金·费雷尔发现光圈并不是地球大气带来的，而是来自太阳大气，并把它冠以拉丁文中的“皇冠”一词，也就是我们现在常说的“日冕”。

19世纪中叶，人们通过对日全食的观测发现日冕当中存在着一条亮绿色的谱线。到了上20世纪三四十年代，天文学家们确认这条谱线源自13次电离的铁离子。而人们知道，这一铁的高价离子通常只能在超过百万度的环境下才会存在。它的存在表明，日冕的温度高达百万度量级，远远超过光球约5500摄氏度的温度。而根据热力学第二定律，如果日冕的热量是太阳内部经由光球往外传来的，离太阳核心越远温度应该越低，那么它的温度应低于光球，事实却与这恰恰相反。而高温日冕的直接后果便是太阳风的形成，太阳风是太阳系中各大行星之间区域中的基本介质。

那么，如此高温的日冕是如何产生和维持的？这便是日冕加热的问题，它是天文学和空间科学领域长期以来未能解决的难题之一。

日冕加热新思路：太阳针状物喷射

近年来，基于对高分辨率太阳观测数据的详细分析，田晖研究团队发现，太阳低层大气里小尺度的、普遍存在的喷流，可能在日冕的物质和能量供应中起到了非常重要的作用。

田晖告诉记者，这些普遍存在的喷流中，最典型的是位于光球和日冕之间的所谓针状物。这些针状物的宽度通常只有200千米左右（太阳半径约70万千米），它们就像喷泉一样间歇性地从太阳表面往外喷射到日冕中。经估计，太阳表面上时刻都存在至少约百万个针状物，其产生和传输过程很可能是理解日冕加热的关键。

为理解针状物的产生机制，许多学者根据自己的认识，提出了众多包含不同物理过程的唯象或数值模型。实际上，由于过去观测上的限制，人们一直没有观测到针状物的详细产生过程，缺少直接观测证据，也就无法判定模型的对错。因此，对于针状物的产生机制，目前太阳物理界仍无共识。

此时，大熊湖天文台新一代古迪太阳望远镜，成为探寻针状物产生机制和日冕加热之谜的一把关键钥匙。这台目前世界上正在运营的最大口径的太阳望远镜，其得天独厚的观测台址和强大的观测仪器设备，为攻克该项极具挑战的研究课题提供了可能。

田晖课题组与大熊湖天文台台长曹文达团队进行合作，利用古迪太阳望远镜对太阳宁静区针状物的产生机制和加热过程进行了成功观测，发现不同极性磁场结构之间的相互作用与针状物的产生紧密相关。这些针状物通常产生于太阳上一种对流单元边界处的强磁场区域附近。当网络组织附近出现相反极性的小尺度弱磁场结构时，通常便会产生针状物。

田晖说，这些观测结果为磁重联驱动针状物的观点提供了迄今为止最强有力的支持。尽管该观测表明至少一部分针状物是由磁重联过程所产生，但其揭示的磁重联位形完全不同于现有的少数几个磁重联驱动针状物的理论模型。因此，未来亟须针对这一最新观测结果进行相关理论和数值模拟研究。

同时，利用太阳动力学天文台卫星的观测，该团队发现，在这些针状物上端出现了增强的日冕辐射，表明针状物在往外传播的过程中被加热到百万度量级。其研究显示，针状物被加热到日冕温度是一种普遍现象，研究日冕加热不能不考虑针状物的贡献。

日冕加热探索方向：揭秘须关注太阳各层大气间的耦合

田晖介绍，该研究将日冕加热与太阳低层大气中的磁活动联系起来，这得益于对太阳大气不同层次（不同温度）的协同观测。

“可以说，这一研究成果重新梳理了日冕加热的研究思路。过去，大家通常仅仅在日冕观测中寻找加热的蛛丝马迹，相关理论研究也基本全是探讨日冕中的物理过程。而这一成果表明，要揭开日冕加热的神秘面纱，必须要关注能量和物质从低层大气往外传输的过程，亦即需要着眼于太阳各层大气之间的耦合。”陈亚杰说。

此外，这一研究成果也将促进日冕加热和磁重联的有关理论和数值模拟研究。据了解，太阳低层大气是部分电离的。人们对完全电离环境下的磁重联特征有较多了解，但对部分电离环境中的磁重联还不甚理解，因此这方面有待进一步研究。此外，针状物在往外传输过程中的加热机制仍不清楚，同样需进一步研究。

“作为唯一一颗可以进行详细观测的恒星，对太阳的观测对于理解恒星上发生的物理过程来说具有独一无二的参考价值。因此，这一研究也为理解一些恒星冕层的高温提供了重要启示。”田晖说。

论文通讯作者和第一作者分别为田晖及其博士后谭摩伊·萨曼塔，其他合作者包括大熊湖天文台台长曹文达教授，北京大学博士生陈亚杰，昆明理工大学教授冯松，以及来自美国新泽西理工学院、德国马普学会太阳系研究所、英国谢菲尔德大学、奥地利格拉茨大学、印度天体物理研究所的多位太阳物理学者。

（光明日报北京12月13日电光明日报记者晋浩天）

《光明日报》（ 2019年12月14日04版）