一個太陽科學家小組發現了驅動太陽大部分波動特性的發動機的可能原型–它產生了像風暴雲一樣在表面移動的太陽黑子，並導致太陽活動水平在11 年的周期內上升和下降。科羅拉多大學博爾德分校的太陽物理學家本傑明-布朗（Benjamin Brown）說，這種發動機又稱”太陽發電機”，它背後的秘密可能是最古老的”物理學未解之謎”。

歷時10 年的太陽影像揭示了恆星的活動是如何隨著時間的推移而驟增和驟減的。資料來源：日本ISAS 與美國NASA 的Yohkoh 任務

新的研究表明，造成太陽週期和太陽黑子的太陽動力始於太陽外層。這挑戰了關於更深層起源的舊理論，並為太陽活動的可預測模式提供了啟示。

在他們的開創性研究中，布朗和他的同事們使用數學方程式模擬了太陽的行為，認為”發電機”可能始於恆星的最外層，而不是許多科學家幾十年來一直認為的恆星內部深處。

在許多方面，這種追求始於公元1612 年著名的天文學家伽利略。

這幅插圖在美國太空總署太陽動力學天文台拍攝的圖像上描繪了太陽的磁場。複雜的線條疊加可以讓科學家了解太陽磁性隨著太陽內部和外部的不斷運動而變化的方式。圖片來源：NASA/SDO/AIA/LMSAL

這項研究的共同作者、天體物理與行星科學系副教授布朗說：”伽利略在400 年前首次觀測到了太陽黑子，他了解了很多關於太陽黑子的知識，包括它們如何在太陽表面移動。但他搞不清楚它們是從哪裡來的。

由英國愛丁堡大學的Geoffrey Vasil 領導的研究小組最近在《自然》雜誌上發表了他們的研究成果。這項研究的共同作者包括基思-朱利安（Keith Julien），他是科羅拉多大學博爾德分校的應用數學家，今年4 月因病去世。

這些發現取決於”發電機”，它是太陽中產生狂野磁場的複雜物理和化學的術語。地球擁有自己的”發電機”，為地球磁場提供動力，這也是地面上所有指南針指向北方的原因。

西元1128 年伍斯特的約翰所繪製的太陽黑子圖。

布朗說，太陽的內部運作對人類非常重要，太陽會產生太陽風暴，對人類電網構成威脅，這種風暴也導致了本月初在美國上空出現的極光。

對研究人員來說，這項研究是幾十年來的成就。 “自從20 年前我們還是科羅拉多大學博爾德分校的研究生時，Geoff Vasil 和我就一直在思考這些想法。”

一般來說，科學家都認為太陽動力始於太陽的”對流區”，也就是太陽內部大約三分之一的外部區域。在那裡，被稱為等離子體的高溫帶電粒子羽流向表面攀升。

地球的磁場大部分是均勻的，而整個太陽對流區的等離子體攪動將其磁場線扭曲成一個看起來像一碗麵條的圖案。

基思-朱利安

布朗說，儘管太陽活動混亂不堪，但它的行為卻出乎意料地可以預測。每隔11 年左右，太陽就會從太陽黑子較少出現的低活動期轉入太陽黑子大量出現的狂熱活動期–然後再翻轉過來，重新開始。現在，太陽活動正處於狂熱期。

“你幾乎可以為太陽’發電機’設定一個日曆，”他說。 “它為何如此狂野卻又如此有序？”

要弄清楚這個問題，研究人員首先需要知道這個效應到底是從太陽的哪個位置開始的。 1990 年代，科學家提出，”發電機”出現在太陽表面以下大約13 萬英里的地方–這一理論被暱稱為”深海發電機”。

然而，這概念難以解釋太陽混沌中產生的秩序。瓦西爾、布朗和他們的同事轉而研究物理學中一種叫做”磁旋轉不穩定性”的現象。這是一種磁場與旋轉等離子體相互作用時形成的不平衡現象，在旋轉等離子體中，磁流越往深處移動得越快。

“布朗說：”這有點像舞伴們挽著手臂互相旋轉。

長期以來，研究人員一直在研究這種現像是如何在環繞黑洞的高溫氣體盤中產生的。但它在太陽中的作用卻不太清楚。

在目前的研究中，瓦西爾、布朗和他們的同事在電腦上進行了一系列計算，研究這種不穩定性如何影響太陽的活動。他們發現，這個過程可以輕易地鞭打太陽內部，形成太陽”發電機”，並解釋11 年周期是如何開始的。這些物理現像也將發生在太陽外圍的10%，也就是距離表面微不足道的2萬英里處。換句話說，太陽”發電機”可能很強大，但也有點膚淺。

在完全擺脫深層理論中的”發電機”之前，研究人員還有很多工作要做。但布朗希望，這項研究能成為自己的動力，在該領域掀起一股新的研究熱潮。

編譯來源：ScitechDaily