为何日冕比太阳表面还热?实验首证实太阳日冕加热机制

太阳表面温度约6,000℃,但令人惊讶的是环绕太阳周围的电浆光环:日冕,温度却高达上百万度,有关日冕被加热的过程机制始终是未解之谜。直到最近,科学家首次通过实验证实了理论预测这些电浆的加热行为。

日冕是环绕在太阳周围被强烈电离的电浆光环(环绕其它恒星的电浆光环称为冕或星冕),向外太空延伸数百万公里远,容易在日全食中看到。令科学家不解的是,日冕密度仅太阳表面(光球)的10-12倍,但温度却比太阳表面还要热150~450倍,光球平均温度5,800K,而日冕高达100~300万K。

日冕加热现象至今仍是太阳物理学一大谜团,一个很简单的问题在科学家们脑海中躲过:“为什么外锅温度比炉心还要热?”

目前主流理论认为磁场在加热过程中发挥一定作用,但主要起因于太阳电浆磁场结构突然变化还是不同类型波的衰减,仍然存在争议。德国亥姆霍兹德勒斯登罗森多夫研究中心(HZDR)团队新研究将重点放在于日冕下方产生的阿尔文波(Alfvén wave),这是电浆体中一种沿磁场方向传播的波,作用在电离粒子上的磁场类似吉他弦,弹奏时会引发波动且拨弄越细的弦越增加音高,阿尔文波的频率与传播速度也和磁场强度息息相关。

HZDR天文学家Frank Stefani表示,磁场在太阳日冕正下方的磁篷很大程度平行于太阳表面排列,在这里声波与阿尔文波速度大致相同,很容易相互转变,因此团队尝试在实验中达到这个神奇临界点。

然而从1942年预测至今,实验始终无法达到这项对电浆加热至关重要的磁篷条件,在大型电浆实验中,阿尔文波速度通常远高于声速;但在液态金属实验中,阿尔文波速度明显降低,原因是普通超导线圈的磁场强度相对较低。

为解决这问题,研究人员考虑起可产生接近100T的脉冲磁场,由于脉冲磁场产生的压力高达大气压力50倍,因此实验铷熔体必须密封在坚固的不锈钢容器中,接着在容器底部注入交流电将其暴露在磁场,最终成功于熔体中产生阿尔文波,并以预期的速度向上运动;此外,实验出现一个频率减半的新信号,这种突然的倍增与理论预测完全一致。

尽管并非所有观察到的效应都可以解释,但至少为解决太阳日冕加热之谜提供一个重要细节。

除了地球上的实验,NASA帕克太阳探测器主要目标之一就是解开太阳日冕加热之谜,随着探测器预计2025年飞至距离太阳表面仅700万公里处,届时收集的数据将有机会解开太阳各种谜团。

(首图来源:NASA)