科學家們開發出了一種幾乎每天測量太陽全球日冕磁場的方法，這對於了解影響地球的太陽風暴至關重要。利用升級版日冕多通道偏振計所取得的這項突破，透過提供日冕磁場活動的全面視圖，增強了我們預測這些風暴的能力。

太陽旋轉時的全球日冕磁場示意圖。 背景是在極紫外波段觀測到的日冕，上面疊加了不同時間測量的全球日冕磁場圖。 資料來源：楊子豪

科學家們首次對太陽的全球日冕磁場進行了近乎每天一次的測量–以前只能偶爾觀測到這一區域。 這些觀測結果為深入了解強烈太陽風暴背後的過程提供了重要訊息，這些太陽風暴影響著關鍵技術，進而影響著地球上的生活和生計。

10月3日出版的《科學》（Science）雜誌詳細分析了升級版日冕多通道極化計（UCoMP）儀器歷時八個月收集的數據。

太陽磁場是太陽風暴的主要驅動力，太陽風暴會對電網、通訊系統和全球定位系統等太空技術造成威脅。 然而，由於在日冕（太陽的上層大氣）中觀測磁場場所面臨的挑戰，我們了解磁場如何累積能量並爆發的能力受到了限制。

透過標準偏振測量方法測量該區域的磁性通常需要大型、昂貴的設備，迄今為止只能研究日冕的一小部分。 然而，結合使用日冕地震學和UCoMP觀測，研究人員就有可能繪製出一致而全面的全球日冕磁場圖–也就是人們在日食時看到的整個太陽的景象。

“日冕磁場的全球繪圖一直是太陽研究中缺失的重要部分，”第一作者楊子豪說，他在中國北京大學攻讀博士學位時就開始了這項研究，現在是美國國家科學基金會國家大氣研究中心（NSF NCAR）的博士後研究員。 “這項研究幫助我們填補了對日冕磁場認識上的一個重要空白，日冕磁場是可能影響地球的風暴的能量來源。”

該國際團隊由英國諾桑比亞大學、美國國家科學基金會國家大氣研究中心、中國北京大學和密西根大學的研究人員組成。 該研究得到了國家自然科學基金委員會和中國國家重點研發計劃的資助，並得到了美國國家科學基金會國家航空航天研究中心授予楊振寧的紐柯克研究生獎學金的支持。 UCoMP儀器是在美國國家科學基金會（NSF）的支持下開發的，由NSF NCAR在莫納羅亞太陽天文台運行。

UCoMP 儀器的增強功能

儘管科學家們已經能夠對太陽表面的磁場（即光層）進行常規測量，但長期以來卻很難對暗淡得多的日冕磁場進行測量。 這就限制了對日冕磁場三維結構和演變的深入了解，而日冕磁場正是太陽風暴的發源地。

要深入測量日冕的三維磁場，就需要像美國國家科學基金會的丹尼爾-K-井上太陽望遠鏡（DKIST）這樣的大型望遠鏡。 DKIST 擁有4 公尺直徑的孔徑，是世界上最大的太陽望遠鏡，最近展示了它在日冕磁場詳細觀測方面的突破性能力。 然而，DKIST 無法一次繪製出太陽地圖。 較小的UCoMP 儀器實際上更適合為科學家提供日冕磁場的全貌，儘管分辨率較低，而且是二維投影。 因此，這兩個來源的觀測結果對於全面了解日冕磁場具有很強的互補性。

UCoMP 主要是一個日冕儀，這種儀器使用圓盤來遮擋來自太陽的光線，類似於日食，從而更容易觀測日冕。 它還結合了一個斯托克斯偏振計，可以對日冕線強度和多普勒速度等其他光譜資訊進行成像。 儘管UCoMP 的孔徑要小得多（20 公分），但它能夠拍攝到更廣闊的視野，這使得它能夠在大多數日子裡研究整個太陽。

研究人員採用了一種稱為日冕地震學的方法來追蹤UCoMP 資料中的磁流體橫波。 MHD 波提供的資訊使他們能夠繪製日冕磁場強度和方向的二維地圖。

2020 年，先前的一項研究利用UCoMP 的前身和日冕地震學方法繪製了第一張全球日冕磁場圖。 這是邁向常規日冕磁場測量的關鍵一步。 UCoMP 的功能得到了擴展，使得進行更詳細的常規測量成為可能。 在UCoMP 研究期間，研究小組在2022 年2 月至10 月間繪製了114 幅磁場圖，幾乎每隔一天就繪製一幅。

楊說：”我們正在進入一個太陽物理研究的新時代，我們可以對日冕磁場進行常規測量。”

新見解和未來方向

觀測也首次測量了極區的日冕磁場。 我們從未直接觀測過太陽的兩極，因為太陽在兩極附近的弧度使我們無法從地球上看到它。 雖然研究人員沒有直接觀測到兩極，但他們第一次能夠對兩極發出的磁性進行測量。 這部分歸功於UCoMP 所提供的數據品質的提高，同時也因為太陽接近太陽極大值。 極區通常較弱的輻射變得更強，從而更容易獲得極區的日冕磁場結果。

作為NSF NCAR的博士後研究員，楊將繼續他對太陽磁場的研究；他希望改進現有的基於光球測量的日冕模型。 由於UCoMP 目前使用的方法僅限於二維，因此仍然無法捕捉到完整的三維磁場。 楊和他的同事希望將他們的研究與其他技術結合起來，更深入地了解日冕磁場的整個向量。

磁場的第三個維度，即沿著觀眾視線的方向，對於了解日冕如何在太陽爆發前被激發具有特別重要的意義。 最終，需要結合大型望遠鏡和全球視野來測量太陽爆發等現象背後的所有三維扭曲和糾結；這就是擬議中的日冕太陽磁性觀測站（COSMO）背後的動機，這是一個直徑1.5 公尺的太陽折射望遠鏡，正在進行最後的設計研究。

“由於日冕磁力是太陽質量飛越太陽系的力量，我們必須對其進行三維觀測–而且是同時觀測全球日冕的任何地方，”COSMO開發負責人、國家科學基金會NCAR科學家莎拉-吉布森（Sarah Gibson ）說。 “楊的工作標誌著我們在了解太陽全球日冕磁場如何逐日變化的能力方面向前邁出了一大步。 這對我們更好地預測太陽風暴並為其做好準備至關重要，太陽風暴對我們日益依賴科技的地球生活造成的危險與日俱增”。

編譯自/ SciTechDaily