在太陽表面上方近5000 公里處，太陽物理學家面臨一個世紀之久的問題——恆星高層大氣或日冕的溫度為何比太陽可見表面的溫度高數百倍？一個國際科學家團隊通過大熊太陽天文台(BBSO) 的1.6 米古德太陽望遠鏡(GST) 獲得的新觀測數據對這個通常被稱為太陽日冕加熱問題的問題有了新的答案，該天文台由NJIT 的日地研究中心(CSTR)。

在最近發表在《自然天文學》雜誌上的一項研究中，研究人員揭示了從太陽上相對涼爽、黑暗和強磁化的等離子體區域發現的強烈波能，能夠穿越太陽大氣層並在內部保持一百萬開爾文的溫度電暈。

數百萬度的太陽日冕等離子體發射的極端紫外線。圖片來源：美國宇航局太陽動力學天文台(SDO) 航天器上的大氣成像組件(AIA)

研究人員表示，這一發現是解開與地球最近的恆星有關的一系列相關謎團的最新關鍵。

“日冕加熱問題是太陽物理學研究中最大的謎團之一。 它已經存在了近一個世紀，”該研究的合著者、BBSO 主任、新澤西理工學院物理學教授曹文達說。“通過這項研究，我們對這個問題有了新的答案，這可能是解決太陽大氣中能量傳輸和耗散以及太空天氣性質等許多令人困惑的問題的關鍵。”

利用GST 獨特的成像能力，袁鼎領導的團隊能夠初步捕捉到太陽上最黑暗和最冷區域（稱為太陽黑子本影）的橫向振盪。當恆星的強磁場抑制熱傳導並阻礙能量從更熱的內部向可見表面（或光球層）供應能量時，就會形成這種黑暗的太陽黑子區域，那裡的溫度達到大約5000 攝氏度。

為了進行調查，該團隊測量了BBSO 的GST 在2015 年7 月14 日記錄的活躍太陽黑子中檢測到的眾多黑暗特徵的相關活動——包括磁場強度超過6000 倍的太陽黑子本影內等離子原纖維的振盪橫向運動比地球的。

NJIT-CSTR 太陽物理學研究教授、BBSO 資深科學家Vasyl Yurchyshyn 解釋說：“原纖維呈錐形結構，典型高度為500-1000 公里，寬度約為100 公里。” “它們的壽命從兩到三分鐘不等，它們往往會重新出現在本影最黑暗部分的同一位置，那裡的磁場最強。”

“這些黑暗的動態原纖維已經在太陽黑子本影中觀察了很長時間，但我們的團隊第一次能夠檢測到它們的橫向振盪，這是快波的表現，”曹說。“強磁化原纖維中這些持久且無處不在的橫波通過垂直拉長的磁導管將能量向上帶走，並有助於加熱太陽上層大氣。”

通過對這些波的數值模擬，該團隊估計所攜帶的能量可能比太陽上層大氣活動區等離子體中的能量損失強數千倍——耗散的能量比保持所需的加熱速率高四個數量級。提高日冕中熾熱的等離子體溫度。

“在太陽上到處都檢測到各種波，但通常它們的能量太低而無法加熱日冕，”Yurchyshyn 說。“在太陽黑子本影中檢測到的快波是一種持久而有效的能源，可能是加熱太陽黑子上方日冕的原因。”

目前，研究人員表示，這些新發現不僅徹底改變了我們對太陽黑子本影的看法，而且為推進物理學家對能量傳輸過程和日冕加熱的理解提供了又一個重要步驟。

然而，關於日冕加熱問題的問題仍然存在。“雖然這些發現是朝著解開這個謎團邁出的一步，但來自太陽黑子的能量通量可能只是加熱那些植根於太陽黑子的環路的原因，”曹說。“與此同時，還有其他與熱日冕環相關的無黑子區域仍有待解釋。我們期望GST/BBSO 將繼續提供最高分辨率的觀測證據，以進一步解開我們恆星的謎團。”