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太阳的大气层比太阳本身还热

天文 | admin发表于2022年09月02日 | 1291个浏览

太阳的大气层比太阳本身还热

可见的太阳表面，或者说光球层，温度大约是6000°C。但是在它上方几千公里的地方——太阳大气，也被称为日冕，要热上百倍，达到一百万摄氏度或更高。

为什么太阳的大气层比其表面热几百倍？这一个天体物理学家已经思考了80年的基本谜题，近日终于被破解和证实。

最近的研究验证了Alfvén 80年前的理论，并让我们离利用地球上的这种高能现象更近了一步。

日冕加热问题自20世纪30年代末以来就已经确立，当时瑞典光谱学家Bengt Edlén和德国天体物理学家Walter Grotrian首次观察到日冕现象，这种现象只有在温度达到几百万摄氏度时才可能存在。Edlén和格罗特里安发现太阳日冕比光层热得多——尽管它离太阳的核心更远。

科学家们通过观察太阳的特性来解释这种差异。太阳几乎完全由等离子体组成，等离子体是高度电离的气体，携带电荷。这种等离子体在对流区——太阳内部的上部——的运动产生了巨大的电流和强大的磁场。

这些磁场通过对流从太阳内部拉起，以太阳黑子的形式出现在太阳的可见表面。太阳黑子是一组磁场，可以在太阳大气中形成各种各样的磁性结构。

这就是Alfvén的理论的来源。他推断，在太阳的磁化等离子体中，任何带电粒子的整体运动都会扰乱磁场，产生的波可以携带大量的能量沿着遥远的距离——从太阳表面到其上层大气。热量沿着所谓的太阳磁通量管传播，然后进入日冕，产生高温。

这些磁等离子体波现在被称为Alfvén波，它们在解释日冕加热方面的作用使Alfvén获得了1970年的诺贝尔物理学奖。

但是在实际观测这些波的问题上仍然存在。在太阳表面和它的大气中发生着如此多的事情——从比地球大很多倍的现象到低于我们仪器分辨率的小变化——因此在光层中Alfvén波的直接观测证据以前是没有实现过的。

如今，天文科学仪器的进步为我们研究太阳物理打开了一扇新的窗口。其中一种仪器是用于成像光谱学的干涉二维偏振光谱仪(IBIS)，安装在美国新墨西哥州的邓恩太阳望远镜上。这台仪器使我们能够对太阳进行更详细的观察和测量。

结合良好的观测条件，先进的计算机模拟，以及来自七个研究机构的国际科学家团队的努力，科学家们使用IBIS最终第一次确认了Alfvén波在太阳磁通量管中的存在。

在太阳光球层中直接发现Alfvén波是在地球上开发其高能量潜能的重要一步。例如，它们可以帮助我们研究核聚变，即太阳内部发生的将少量物质转化为大量能量的过程。我们目前的核电站目前基本使用核裂变，而有批评者认为——核裂变会产生危险的核废料——特别是在2011年发生在福岛的灾难中。

通过在地球上复制太阳的核聚变来创造清洁能源，仍然是一个巨大的挑战，因为我们仍然需要快速产生1亿摄氏度的温度才能发生核聚变。Alfvén waves可能是一种方法。我们对太阳越来越多的了解表明，在合适的条件下，这是完全可能的。

由于新的突破性的任务和仪器，科学家也期待着更多的太阳观测发现。欧洲航天局(European Space Agency)的太阳轨道卫星(Solar Orbiter)目前正在围绕太阳运行，提供图像，并对这颗恒星未知的极地地区进行测量。在地球上，新的高性能太阳望远镜的揭幕也有望增强人类从地球上对太阳的观测。

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