科學家解開了太陽針狀體之謎

在任何給定時刻，太陽表面都會發生多達1千萬次的強勁物質噴射。噴射速度可達60英里每秒，在潰散之前可遠達6000英里。這就是針狀體，雖然像雜草那麼多，但科學家無法理解他們怎麼形成的。現在，一個詳細到運行了一整年的計算機模擬首次演示了針狀體的形成，幫助科學家理解針狀體是如何從太陽表面分離出來並飆升得如此迅速的。

這一工作依賴於NASA的太陽過渡層成像光譜儀衛星(IRIS)和位於拉帕爾馬的瑞典1米太陽望遠鏡的觀測。飛船和望遠鏡一起對太陽大氣層的底層進行了觀測，即太陽過渡層，也就是針狀體形成的地方。這一NASA贊助的研究成果已發表在6月22日的科學雜誌上，這也正是IRIS慶祝在太空的四周年之期(6月26日)。

研究作者之一、加州帕洛阿爾托洛克希德馬丁太陽和天體物理實驗室的IRIS科學領導Bart De Pontieu說道：「我們的研究利用了數值模型和觀測。我們比較觀測和模型，以確定我們模型的性能如何，當發現重大差異時就改進模型。」

對於想理解太陽材料和能量是如何穿過並遠離太陽表面的科學家而言，觀測針狀體一直都是一個棘手的問題。針狀體是瞬變現象，形成和崩潰的歷程也只有5到10分鐘。這些纖細的結構也很難從地球上進行研究，地球大氣會模糊望遠鏡的視野。

一個科學家團隊研究這種特定的模型已經近10年了，不斷嘗試創造一個能形成針狀體的版本。早先版本的模型將太陽過渡層，即底層太陽大氣，視為帶電粒子的炙熱氣體，或者更技術地講，完全電離等離子體。但科學家們知道肯定遺漏了什麼，因為他們在模擬中從未見過針狀體。

科學家認識到關鍵在於中性粒子。他們受到地球自身電離層的啟發，即高層大氣中中性和帶電粒子相互作用，形成眾多動態過程的區域。

研究團隊知道在太陽的溫度較低的區域，比如過渡層，不是所有氣體粒子都是帶電的。某些粒子是中性的，而中性粒子不會像帶電粒子那樣受到磁場的作用。科學家先前的模型基於完全電離等離子體是為了簡化問題。的確，包含必須的中性粒子計算代價很大，最終的模型花了約一年在矽谷的NASA艾姆斯研究中心的昴宿星超級計算機上運行。

模型開始於等離子體在太陽大氣中移動的基礎理解。物質在太陽中不斷對流或者沸騰，產生紊亂磁場島。當沸騰攜帶物質上升到表面並進一步進入太陽底層大氣中，磁場線迅速回退消解張力，驅逐等離子體和能量。由此誕生了針狀體。但解釋這些複雜磁力結的產生與崩解則是比較困難的部分。

研究第一作者、洛克希德馬丁和加州索諾瑪海灣地區環境研究所的太陽物理學家Juan Martínez-Sykora說道：「一般磁場與帶電粒子密切耦合。如果模型中只有帶電粒子，磁場就會卡住，無法在太陽表面之外出現。當我們增加中性粒子，磁場就能自由移動了。」

中性粒子為磁場能量結提供了浮力，使其能上升通過太陽的沸騰等離子體，抵達色球層。在那裡，他們折斷為針狀體，釋放出等離子體和能量。離子和中性粒子之間的摩擦進一步加熱了等離子體，不管是針狀體內部還是周圍。

有了這個新模型，這個模擬終於能與IRIS和瑞典太陽望遠鏡的觀測相匹配了：針狀體自然且頻繁地發生。這個開發數值模型的10年工作贏得了兩名科學家Mats Carlsson和Viggo H. Hansteen，都是來自挪威奧斯陸大學的研究作者。

科學家更新後的模型揭示了某些關於能量在太陽大氣中的移動方式的其他知識。這種鞭子似的過程被證實也會自然產生阿爾文波。阿爾文波是一種強力的磁波，科學家懷疑是加熱太陽大氣、推動太陽風的關鍵。

De Pontieu說道：「這一模型回答了我們長久以來的大量問題。我們基於高解析度觀測逐漸增加數值模型的物理複雜性，並且也的確成功了。」

這一模擬表明針狀體能不斷迫出等離子體併產生如此多涵蓋太陽整個表面的阿爾文波，在激勵太陽大氣方面具有重要作用。

位於馬里蘭格林貝爾特的NASA戈達德太空飛行中心IRIS任務科學家Adrian Daw說道：「這在我們對何種過程能激勵太陽大氣方面是一項重大進步，利用更多的細節為研究者確定針狀體的作用奠定了基礎。值此發射周年慶前夕，這真是一個非常棒的成果。」

來源：煎蛋網

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