美國著名太陽物理學家尤金·帕克曾說：“如果沒有磁場,，太陽將變得枯燥無味?！倍柎艌龅钠鹪磫栴},，一直是天文學界的未解之謎,。
近日，《自然》雜志報道,，由美國西北大學牽頭的國際研究團隊提出,，太陽磁場形成于太陽表面下約3.2萬千米處。這一觀點與當前流行不同,。流行觀點認為太陽磁場通常形成于太陽對流層深處,。
太陽磁場測量難度大
盡管我們每天目睹太陽東升西落，對太陽黑子,、耀斑,、日冕等活動也耳熟能詳，但對天文學家而言,，太陽仍是一個“最熟悉的陌生人”,。
太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，科學家普遍認為,，其核心是發(fā)生核聚變的日核和輻射區(qū),，外部則為對流層。對流層約占太陽半徑頂部三分之一,，其范圍延伸到太陽表面以下約20萬千米,，科學家推測太陽磁場可能產(chǎn)生于這一區(qū)域。
磁場是一種看不見,、摸不著的物質(zhì),，但可以通過某些具體的方式展現(xiàn)出來?！霸诖盆F上放一塊玻璃板,，玻璃板上撒些鐵粉，然后輕拍玻璃板,，鐵粉便會按照一定方向有序排列,，這就是具象化的磁力線?！敝袊茖W院國家天文臺研究員張洪起介紹,，太陽磁場和地球磁場物理性質(zhì)基本一樣，但太陽磁場更為復雜多變。張洪起曾經(jīng)長期在國家天文臺的懷柔太陽觀測基地工作,。該基地是國際著名的太陽磁場觀測臺站,，曾取得一系列世界一流觀測和研究成果。
“假如能把指南針放在太陽表面,，那么會發(fā)現(xiàn)在太陽的不同區(qū)域,，指南針的指向是不同的，即使是在同一區(qū)域,，指南針在不同時刻所指的方向也會發(fā)生變化,。”張洪起解釋,，之所以會出現(xiàn)這樣的情況,，是因為太陽磁場不斷隨時間發(fā)生演化，并向日地空間擴散開來,。
然而,，指南針難以放到炙熱的太陽附近。為了觀測太陽磁場,，科學家只能另辟蹊徑,，利用物理學中的塞曼效應進行觀測。塞曼效應是指在外磁場中,，原子的發(fā)射譜線會發(fā)生分裂且偏振的現(xiàn)象,。張洪起介紹，通過測量太陽上的光譜分裂和不同分量偏振情況,，就能夠間接推演太陽表面磁場的分布狀態(tài),。
1908年，美國天文學家喬治·埃勒里·海耳首先發(fā)現(xiàn)太陽黑子具有強磁場,。他第一次證實了宇宙中除地球磁場之外的磁場存在,，也間接揭示了太陽活動源自磁場。但是,，由于太陽大氣的不透明性，人們只能測量太陽表層磁場的大概分布情況,，無法獲得太陽內(nèi)部磁場的真實分布狀態(tài),。
帕克在1955年提出了太陽發(fā)電機理論，以解釋太陽內(nèi)部磁場的起源和演化,。太陽發(fā)電機理論認為,，通常在太陽內(nèi)部，高溫等離子體的流動受到太陽核心核聚變產(chǎn)生的巨大熱量影響,，促進了復雜的磁場形成和演化,。
“形象地說，太陽就像一個發(fā)電機，它的旋轉(zhuǎn)以及內(nèi)部物質(zhì)的流動,，將運動能轉(zhuǎn)化為電磁能,。”張洪起說,，由于人們無法真正了解太陽內(nèi)部,，因此至今都不能完全弄清太陽磁場形成的細節(jié)。
著眼太陽表面開展研究
為探究太陽磁場的起源,，科學家往往先觀測太陽表面,，然后建立模型，通過計算來推測太陽內(nèi)部多層次的等離子體流動情況,。
《自然》雜志發(fā)表的上述研究并未嘗試模擬整個太陽內(nèi)部的復雜等離子體流動,，而是研究太陽表面附近等離子體流動的穩(wěn)定性，以探究其是否足以解答太陽磁場起源問題,。
該研究主要基于日震學數(shù)據(jù),。日震學將低緯度扭轉(zhuǎn)振動定位到太陽外圍的5%—10%，即近表剪切層,。在該區(qū)域,，向內(nèi)增加的差異旋轉(zhuǎn)與極向磁場的耦合強烈暗示了磁旋轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性。
隨后,，研究人員運用新算法建立模型,，模擬后發(fā)現(xiàn)，在太陽表面5%—10%的等離子體流發(fā)生的變化就足以產(chǎn)生磁場模式,。他們進一步模擬發(fā)現(xiàn),，相較之下，太陽對流層深處的變化所產(chǎn)生的磁場與實際觀測數(shù)據(jù)不太吻合,。
“過去的研究多集中在太陽對流層深處探究太陽發(fā)電機運轉(zhuǎn),，而此次研究從新的視角出發(fā)，提出了太陽磁場可能是在太陽表面下約3.2萬千米處產(chǎn)生的觀點,?！睆埡槠鹫J為，這種觀點在天文學界引起了很大爭論,，但科學往往需要在爭論中向前發(fā)展,。
太陽磁場之所以備受關(guān)注，是因為其引發(fā)的太陽活動在很多方面影響著人類活動,。張洪起介紹,，對于宇航員來說，在執(zhí)行太空任務(wù)時,，尤其是進入更深層次的宇宙空間時,，太陽爆發(fā)活動(即太陽風暴)可能對其構(gòu)成潛在的巨大威脅,。其次，太陽活動還會影響地球大氣的電離層,，進而對電波通信產(chǎn)生干擾,，甚至可能導致短波通信中斷。此外,，太陽活動的周期性變化與人類的生存環(huán)境,、氣象氣候以及某些特殊疾病的發(fā)生都密切相關(guān)。
對太陽的探索永無止境
太陽磁場起源僅僅是太陽未解之謎中的一個,，在揭開更多太陽未解之謎的道路上,，人類面臨著種種艱難險阻。
在中國科學院國家天文臺研究員張承民看來,，磁流體力學作為研究太陽的重要基礎(chǔ),，其復雜性在于磁場與電流體的交織作用。流體力學中的湍流問題尚未有完整解答,，而電磁場的引入無疑為這一領(lǐng)域增添了更多未知數(shù),。磁場與電場之間的相互作用，以及各自的三維特性,，再加上流體的壓力,、流速、溫度和密度等多重因素,，使得求解精確的數(shù)學方程變得異常困難,。
太陽環(huán)境的復雜性不僅體現(xiàn)在其物理參數(shù)和磁流體力學的特性上，更在于其高度的非線性,。張承民強調(diào),，這種非線性意味著微小的變化可能引發(fā)巨大的影響，正如亞馬孫森林中的蝴蝶扇動翅膀可能引發(fā)遠處的颶風一樣,，這種不確定性增加了人們預測太陽活動的難度,。
“由于太陽外層環(huán)境的復雜性，人們很難通過經(jīng)驗來預測其變化,?！睆埑忻癖硎荆斍叭藗冎饕ㄟ^衛(wèi)星等間接手段獲取太陽的整體環(huán)境信息,，近年來,，雖然有人提出利用人工智能和大數(shù)據(jù)對太陽活動進行分析，但這種方法仍難以深入揭示其背后的物理原理,。
要解開更多太陽之謎，天文學家不僅需要深入剖析其物理原理,、建立數(shù)學模型,，還需不斷探索新的研究方法和手段,。正如張洪起在他的專著《太陽磁學》中所言：“100個天文學家可能有100個太陽風暴的模型?！彼J為,，對于無法直接探測的事物，人們自然會產(chǎn)生各種遐想并提出各種新方法,，這些遐想和方法因人而異,，但都是科學探索進步的驅(qū)動力。
