威力巨大的太阳“耳环”:太阳暗条

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威力巨大的太阳“耳环”:太阳暗条

 

在太阳活动较为强烈的年份,如果用佩戴巴德膜的望远镜指向太阳(千万不能用望远镜或肉眼直视太阳),你会发现太阳的“皮肤”质量并不太好:在光亮的太阳表面上,往往会成群结队地出现一些黑斑。对的,这就是你所熟知的“太阳黑子”。不过,对于对太阳皮肤病研究颇有心得的专科医生,太阳物理学家们更加关注太阳之上的另一类黑色结构。它就是今天我们谈论的主题:太阳暗条 (Solar Filament)。

有人可能要问了,我拿戴巴德膜的望远镜观察太阳多年,为什么只看到了黑子,没有看到你说的“太阳暗条”呢?其实你如果足够关注日面的边缘部分,你应该能够看到太阳暗条的另一面:没错,我说的就是耳熟能详的“日珥”。日珥,是太阳暗条随太阳自转移动到日面边缘的时候,在背景宇宙中显示出的明亮突起结构。而至于为什么太阳暗条在日面上显示为暗色吸收条纹,而在日面边缘又变成了明亮的日珥,这就需要了解太阳暗条的物理本质了。

 

图一:太阳边缘的日珥。图源:SOHO。

 

我们知道,太阳表面和大气中充满了错综复杂的磁场。太阳暗条,就是由太阳磁场的支撑、束缚作用的平衡下,存在于日冕中的较冷、较密的太阳物质体系。这里的冷和密,是相对于周围的日冕而言的。而至于为什么太阳暗条会又冷又密,这就需要进一步的物理解释了。

仔细分析暗条的物理结构,我们会发现它往往处于闭合的磁感线上。所谓闭合磁感线,就是指从太阳的一个区域钻出太阳表面,又在相邻区域遁入太阳表面以下的磁场结构。对于太阳物质这样高度电离的等离子体来说,磁冻结效应限制了等离子体横跨磁感线的运动,因此在太阳大气中,一根磁感线上的等离子体,往往只能呆在这一根磁感线上,沿磁感线做纵向运动。闭合的磁感线,它们生成后,沿磁感线的物质必然直接来自于太阳表面。我们知道,太阳表面的温度比日冕要低许多,所以如果没有各种加热机制,闭合磁感线上的物质和太阳表面温度就会比较相近,因而比周围日冕的温度低很多。流体力学告诉我们,稳定流体内部各处的压力要平衡,在磁场相同的情况下,由于等离子体热压力的表达式k*(粒子密度)*(温度),要想压力与周围高温日冕环境保持一致,就必须拥有较高的密度。这就是暗条又冷又密的原因。但由于日冕处于太阳大气高层,其压力比日面上要低,因此暗条密度和温度的乘积一般不会高于太阳表面。

 

图二:我国科学家重构出的暗条周围的闭合磁感线。图源:中科院国家空间科学中心。

 

解释了暗条为何又冷又密,我们就可以解释暗条的观测性质了。因为它冷,所以对太阳表面发出的各种谱线有吸收作用,在观测这些谱线时,暗条便会在日面上显示出暗色条纹。这也解释了为什么我们平常用普通望远镜来观测太阳时见不到太阳表面的暗条:因为我们观测的是连续谱,而非具体的谱线,所以暗条的吸收效应非常微弱,淹没在了连续谱的汪洋大海中。而由于暗条物质比日冕密,它的黑体辐射能力比日冕要强,因此在转到太阳边缘时,我们能够看到它发出的微弱连续谱,也就是所谓的“日珥”。因为这种现象,暗条也被人们形象地称为太阳的“耳环”。

 

图三:一个横跨太阳表面的巨大暗条,由高能谱线图像得到。图源:SDO。

 

现在我们知道,暗条的特性是由其背后的磁场主宰的,因此,弄清楚支撑暗条的磁场结构就变得十分重要。由于日冕磁场直接测量的困难性,我们很难直接知晓暗条周围的磁场结构,现在的主流方法是根据太阳光球表面的磁场,通过进行一些假设(主要是无力场假设),来外推日冕中的磁场。但是由于外推精度和理论的限制,我们暂时还无法准确知晓暗条周围的磁场结构。现在对于暗条磁场结构有两种主流观点:一个是剪切磁拱模型,一个是磁通量绳模型。而对于暗条磁场结构的形成,有人认为是磁通量绳直接从日面下抬升形成,有人认为是剪切磁拱在日冕中通过磁重联不断改变拓扑结构,最终形成磁通量绳的过程。相对应地,对暗条物质的来源也有两种理解:第一种是认为暗条物质是随着磁通量绳的抬升一起上升,并凝聚在磁通量绳的磁场沟中;另一种则认为暗条物质是剪切磁拱或磁通量绳生成后,由磁场足点处的太阳表面物质“蒸发”,并在磁场结构中部凝聚形成的。对于太阳暗条磁场结构的研究,目前还属于太阳物理研究的一个前沿热点问题。

 

图四:磁通量绳磁场结构图,磁场绕着轴线像一个绳子一样缠绕起来。图源:中山大学,段爱英。

 

暗条的磁场结构决定了暗条对人类影响最大的一个性质:暗条具有爆发的潜力。无论是剪切磁拱还是磁通量绳,在磁场结构中都蕴藏着巨大的磁自由能。这些自由能由太阳表面的流体运动的动能转化而来:由于磁冻结效应,磁感线随着等离子体运动,逐渐将能量积聚在磁场结构中。这些自由能不会永远储存在磁场结构中,一旦条件允许,它就会急剧地释放出来,伴随着暗条的剧烈爆发。

暗条不会无缘无故地爆发,那么,暗条爆发的触发条件有哪些呢?目前,科学家们提出了各种模型来解释。这些模型大概可以分为两类,一类是以理想磁流体力学不稳定性为触发条件,简单来说,就是忽略了等离子体的电阻效应,把它作为理想磁流体来处理。这一理论又可以分为扭缠不稳定性和梯度不稳定性,这两种不稳定性都在说一件事情,那就是磁通量绳向上的磁张力大于了包围着磁绳的背景磁场的束缚力,并且在磁绳上升后,这一不等关系仍然成立,甚至加剧。这样,磁绳就可以携带着位于其凹陷处的暗条物质加速上升,将暗条物质抛出太阳大气,抛向行星际空间。另外一类理论是基于非理想磁流体力学的,以磁重联现象为核心的理论。它们主张,当存储磁自由能的磁场结构自身内部或者与周围磁结构发生重联后,磁场的拓扑结构发生改变,可能会触发磁场结构的失稳和暗条的爆发。目前,这些理论之间的学术争锋,仍在继续。

 

图五:关于磁绳爆发的数值模拟,图源:南京大学,陈鹏飞。

 

其实,在很多暗条爆发事件中,人们已经寻找到了这些理论共同作用的蛛丝马迹。一个暗条爆发的过程,很可能是一种理论描述的现象占主导,其它理论描述的现象起辅助作用的复杂过程。不同现象间相互作用,在局域和时间轴上相互影响,可能才是一个“成功”的暗条爆发的“秘籍”。

暗条爆发是太阳物理中的一个重要物理现象。它体量大:一次抛出的物质相当于珠穆朗玛峰的质量;能量强:一次暗条爆发所产生的连环反应,辐射出的能量相当于千亿颗广岛原子弹的量级;物理属性关键:它是许多日冕物质抛射(CME)和太阳耀斑的共同触发源,拥有着比这两者更本质的物理属性,了解了暗条爆发,就在更高程度上了解了CME和耀斑。关于CME和耀斑所引发的后续空间天气事件,我们在之前的文章《大气层外的风云——空间天气漫谈》中已经大略介绍过,有兴趣的读者可以做延伸阅读。正因为这些空间天气事件对人类高科技系统的威胁越来越大,而暗条爆发正是许多空间天气事件的背后推手,因此更好地了解太阳暗条及其爆发过程,成为了当前太阳物理学界需要解决的一项重大基础问题。

 

图六:不同波段下的日冕物质抛射,图源:NOAA,NWS。

 

无数个晴朗的白昼,近代天文学家们曾把望远镜(带减光设施的!)指向太阳,赞叹那些挂在太阳边缘的“耳环”的美丽。他们或许不会想到,这些美丽的耳环也会猛烈地爆发,并在未来影响到人类的生产生活。他们更难想到,人们对这些“耳环”的了解,将会到达如此之高的一个水平,以至于能够重建出它背后看不见的磁场,和它爆发的物理机制。虽然我们目前还有很多问题没有完全搞明白,但我相信,科学乘以时间,是面对未知最大的利器。最后,引用北大空间所王玲华老师在“天芳夜谭”系列讲座中的一句话作为结尾:“科技具有两面性,科技的发展可能会导致空间天气事件对人类日常生活的影响增加,但科学也会带领人类理解未知的机理,提高预报的能力,更好地保护自己。”魔高一尺道高一丈,最后,我们终会降服妖魔,留给自己的只会是更高的“道”,还有对这个宇宙的更深的理解。


作者:阿白特尔

APC编辑部科普组

 

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