茫茫星河，有多少人類未曾探知的秘密？

“為什么日冕那么熱”“暗能量是什么”“暗物質(zhì)是什么”“重子哪里去了”“恒星是如何爆炸的”“是什么使宇宙再電離”“各種高能宇宙射線的源頭是什么”“為什么我們的太陽(yáng)系如此獨(dú)特”？2012年，美國(guó)《科學(xué)》雜志將上述問(wèn)題評(píng)選為當(dāng)代天文學(xué)八大未解之謎。

近日，北京大學(xué)田暉教授、譚摩伊·薩曼塔博士及其合作者在破解“日冕加熱”之謎的征途上取得重要進(jìn)展，其研究成果——題為《太陽(yáng)針狀物的產(chǎn)生和加熱》的研究論文日前發(fā)表在《科學(xué)》雜志。記者了解到，該課題組利用氫原子Hα譜線，對(duì)太陽(yáng)低層大氣中普遍存在的一種小尺度噴流——針狀物進(jìn)行了高時(shí)間（約3.5秒）和高空間分辨率（約45千米）的成像觀測(cè)研究，并利用鐵原子的1.56微米譜線，對(duì)太陽(yáng)磁場(chǎng)進(jìn)行了極高靈敏度的測(cè)量。課題組分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同極性磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)之間的相互作用產(chǎn)生了針狀物，而針狀物在往外傳輸過(guò)程中引起了局地日冕的加熱。

日冕加熱之謎：日冕溫度為什么高達(dá)百萬(wàn)度量級(jí)

在了解日冕加熱之謎前，我們首先要知道，什么是日冕。

論文作者之一、田暉的博士生陳亞杰介紹，日冕是太陽(yáng)的外層大氣，亮度大約是太陽(yáng)表面（光球）的百萬(wàn)分之一。平時(shí)，日冕發(fā)出的微弱光線被太陽(yáng)表面（光球）發(fā)出的光所掩蓋，所以我們無(wú)法看到日冕。當(dāng)日全食發(fā)生，月亮完全擋住太陽(yáng)圓盤時(shí)，我們就可以看到圍繞著月亮陰影的光圈，這光圈最開(kāi)始被誤認(rèn)為是地球大氣造成的。

直到1806年6月16日的日全食，西班牙天文學(xué)家何塞·華金·費(fèi)雷爾發(fā)現(xiàn)光圈并不是地球大氣帶來(lái)的，而是來(lái)自太陽(yáng)大氣，并把它冠以拉丁文中的“皇冠”一詞，也就是我們現(xiàn)在常說(shuō)的“日冕”。

19世紀(jì)中葉，人們通過(guò)對(duì)日全食的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)日冕當(dāng)中存在著一條亮綠色的譜線。到了上20世紀(jì)三四十年代，天文學(xué)家們確認(rèn)這條譜線源自13次電離的鐵離子。而人們知道，這一鐵的高價(jià)離子通常只能在超過(guò)百萬(wàn)度的環(huán)境下才會(huì)存在。它的存在表明，日冕的溫度高達(dá)百萬(wàn)度量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)光球約5500攝氏度的溫度。而根據(jù)熱力學(xué)第二定律，如果日冕的熱量是太陽(yáng)內(nèi)部經(jīng)由光球往外傳來(lái)的，離太陽(yáng)核心越遠(yuǎn)溫度應(yīng)該越低，那么它的溫度應(yīng)低于光球，事實(shí)卻與這恰恰相反。而高溫日冕的直接后果便是太陽(yáng)風(fēng)的形成，太陽(yáng)風(fēng)是太陽(yáng)系中各大行星之間區(qū)域中的基本介質(zhì)。

那么，如此高溫的日冕是如何產(chǎn)生和維持的？這便是日冕加熱的問(wèn)題，它是天文學(xué)和空間科學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)未能解決的難題之一。

日冕加熱新思路：太陽(yáng)針狀物噴射

近年來(lái)，基于對(duì)高分辨率太陽(yáng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，田暉研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)低層大氣里小尺度的、普遍存在的噴流，可能在日冕的物質(zhì)和能量供應(yīng)中起到了非常重要的作用。

田暉告訴記者，這些普遍存在的噴流中，最典型的是位于光球和日冕之間的所謂針狀物。這些針狀物的寬度通常只有200千米左右（太陽(yáng)半徑約70萬(wàn)千米），它們就像噴泉一樣間歇性地從太陽(yáng)表面往外噴射到日冕中。經(jīng)估計(jì)，太陽(yáng)表面上時(shí)刻都存在至少約百萬(wàn)個(gè)針狀物，其產(chǎn)生和傳輸過(guò)程很可能是理解日冕加熱的關(guān)鍵。

為理解針狀物的產(chǎn)生機(jī)制，許多學(xué)者根據(jù)自己的認(rèn)識(shí)，提出了眾多包含不同物理過(guò)程的唯象或數(shù)值模型。實(shí)際上，由于過(guò)去觀測(cè)上的限制，人們一直沒(méi)有觀測(cè)到針狀物的詳細(xì)產(chǎn)生過(guò)程，缺少直接觀測(cè)證據(jù)，也就無(wú)法判定模型的對(duì)錯(cuò)。因此，對(duì)于針狀物的產(chǎn)生機(jī)制，目前太陽(yáng)物理界仍無(wú)共識(shí)。

此時(shí)，大熊湖天文臺(tái)新一代古迪太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡，成為探尋針狀物產(chǎn)生機(jī)制和日冕加熱之謎的一把關(guān)鍵鑰匙。這臺(tái)目前世界上正在運(yùn)營(yíng)的最大口徑的太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡，其得天獨(dú)厚的觀測(cè)臺(tái)址和強(qiáng)大的觀測(cè)儀器設(shè)備，為攻克該項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的研究課題提供了可能。

田暉課題組與大熊湖天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)曹文達(dá)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行合作，利用古迪太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡對(duì)太陽(yáng)寧?kù)o區(qū)針狀物的產(chǎn)生機(jī)制和加熱過(guò)程進(jìn)行了成功觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)不同極性磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)之間的相互作用與針狀物的產(chǎn)生緊密相關(guān)。這些針狀物通常產(chǎn)生于太陽(yáng)上一種對(duì)流單元邊界處的強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域附近。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組織附近出現(xiàn)相反極性的小尺度弱磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，通常便會(huì)產(chǎn)生針狀物。

田暉說(shuō)，這些觀測(cè)結(jié)果為磁重聯(lián)驅(qū)動(dòng)針狀物的觀點(diǎn)提供了迄今為止最強(qiáng)有力的支持。盡管該觀測(cè)表明至少一部分針狀物是由磁重聯(lián)過(guò)程所產(chǎn)生，但其揭示的磁重聯(lián)位形完全不同于現(xiàn)有的少數(shù)幾個(gè)磁重聯(lián)驅(qū)動(dòng)針狀物的理論模型。因此，未來(lái)亟須針對(duì)這一最新觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)理論和數(shù)值模擬研究。

同時(shí)，利用太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)衛(wèi)星的觀測(cè)，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在這些針狀物上端出現(xiàn)了增強(qiáng)的日冕輻射，表明針狀物在往外傳播的過(guò)程中被加熱到百萬(wàn)度量級(jí)。其研究顯示，針狀物被加熱到日冕溫度是一種普遍現(xiàn)象，研究日冕加熱不能不考慮針狀物的貢獻(xiàn)。

日冕加熱探索方向：揭秘須關(guān)注太陽(yáng)各層大氣間的耦合

田暉介紹，該研究將日冕加熱與太陽(yáng)低層大氣中的磁活動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，這得益于對(duì)太陽(yáng)大氣不同層次（不同溫度）的協(xié)同觀測(cè)。

“可以說(shuō)，這一研究成果重新梳理了日冕加熱的研究思路。過(guò)去，大家通常僅僅在日冕觀測(cè)中尋找加熱的蛛絲馬跡，相關(guān)理論研究也基本全是探討日冕中的物理過(guò)程。而這一成果表明，要揭開(kāi)日冕加熱的神秘面紗，必須要關(guān)注能量和物質(zhì)從低層大氣往外傳輸?shù)倪^(guò)程，亦即需要著眼于太陽(yáng)各層大氣之間的耦合?！标悂喗苷f(shuō)。

此外，這一研究成果也將促進(jìn)日冕加熱和磁重聯(lián)的有關(guān)理論和數(shù)值模擬研究。據(jù)了解，太陽(yáng)低層大氣是部分電離的。人們對(duì)完全電離環(huán)境下的磁重聯(lián)特征有較多了解，但對(duì)部分電離環(huán)境中的磁重聯(lián)還不甚理解，因此這方面有待進(jìn)一步研究。此外，針狀物在往外傳輸過(guò)程中的加熱機(jī)制仍不清楚，同樣需進(jìn)一步研究。

“作為唯一一顆可以進(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)的恒星，對(duì)太陽(yáng)的觀測(cè)對(duì)于理解恒星上發(fā)生的物理過(guò)程來(lái)說(shuō)具有獨(dú)一無(wú)二的參考價(jià)值。因此，這一研究也為理解一些恒星冕層的高溫提供了重要啟示?！碧飼熣f(shuō)。

論文通訊作者和第一作者分別為田暉及其博士后譚摩伊·薩曼塔，其他合作者包括大熊湖天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)曹文達(dá)教授，北京大學(xué)博士生陳亞杰，昆明理工大學(xué)教授馮松，以及來(lái)自美國(guó)新澤西理工學(xué)院、德國(guó)馬普學(xué)會(huì)太陽(yáng)系研究所、英國(guó)謝菲爾德大學(xué)、奧地利格拉茨大學(xué)、印度天體物理研究所的多位太陽(yáng)物理學(xué)者。

（本報(bào)北京12月13日電 本報(bào)記者 晉浩天）