关于太阳的未解之谜：为什么你的热不按套路？

buzhy

尽管我们进行了数十年的细致观测，但关于太阳的诸多细节仍然是未知的。

图源：NASA SVS

“太阳是热的”这一事实对任何人来讲都称不上新闻。太阳的表面温度大约是10,000华氏度（约5,500 摄氏度），听上去似乎已经足够暖意洋洋了。但围绕在太阳外部的是被称为日冕的大气，实质上是过热气体的等离子体包层，其测量温度竟超过了300万华氏度（约160万摄氏度）！科学家们仍在试图弄清楚这一外层是如何做到比内层更热的。

令科学家感到困惑的部分非常简单：由于太阳的热源位于其核心，因此当远离中心时，温度应该或多或少地有所降低。然而，这与他们观察到的实际结果大相径庭。因此，即使太阳就在那里，也无法解释日冕是如何比其他层更热的。在继续讨论之前，需要意识到的是，热量实际上是衡量原子移动速度的指标。因此，太阳物理学家们主要在寻找加速物质移动的方法，而这种方式仅发生于炙热的日冕中。

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长期存在的谜团

只有在日全食时才能目视看到日冕那美丽的光芒，而太阳其余的部分均被月球遮掩。

NASA / Rami Daud

尽管拥有着极高的热量，但由于太阳其他部分的强烈亮度，日冕通常无法直接被观测到。由于日冕本身的亮度易被太阳表面的散射光淹没，即使是应用复杂的仪器也很难有效地对日冕进行观测研究。但这并不意味着它的存在只是近期的发现。它其实出现在罕见但可预测的事件中——让人类着迷数千年的日全食。

1869年，天文学家利用日全食来窥探太阳那突然可见的最外层。他们甚至将光谱仪对准那宛如薄纱的光芒上，试图来分辨其中难以捉摸的物质。他们发现了一条陌生的绿色谱线，似乎是一个全新的元素：coronium（一种假设的元素，曾经被认为是日冕光谱中某些明线系氪所产生的）。七十年后，科学家们意识到它实际上就是人们熟悉的铁元素，那条谱线被加热到前所未有的数百万度时的状态。这一温度达到了太阳表面测量温度的数百倍，因此立即引起了科学家们的困惑。

早期的理论认为声波是煽动日冕的主因（想象一下太阳的物质就像风琴一样不断压缩再扩张地运动），就像海浪可以高速地将飞沫拍打到岸上一样。但是，太阳探测器尚未找到具有足够能量的波动来解释观察到的日冕热量。

因此，近150年来，它仍然是科学中那些微小但令人恼火的谜题之一：科学家们非常确信他们关于太阳表面和日冕的温度读数是合理且准确的，并且更加确信基本的物理常识——即你离热源（比如篝火）越远，温度应当越低。两样事实都很确定，但放在一起却难以得到合理的解释。

太阳爆发出强大的太阳耀斑，该图由一整年的观测值合成得到。

NASA GSFC/SDO/S. Wiessinger

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磁体：如何工作？

部分的问题出在我们并不了解太阳上发生的许多小规模事件。我们能够大概了解到太阳是如何为地球提供光和热，但其工作物质及力场的规模是无法在实验室中实现的，而且通过与太阳足够接近来开展详细研究也是极其困难的。

现在关于太阳大多数问题的答案似乎归结为太阳是一个极其复杂的磁体。地球也会旋转自己的磁场，但是尽管拥有海洋和地下岩浆，地球仍然比太阳更加坚固。相比之下，太阳只是一个由气体和等离子组成的巨大球体。因此，地球进行的是类似固体物体一样地旋转。

而太阳则不然。由于其不是固体，太阳的极点和赤道以不同的速率进行旋转。太阳内的物质上下翻腾，就像一锅沸水，结果是形成了一些乱七八糟的磁场线。构成太阳外层的带电粒子像高速铁路上的火车一样穿过这些线路。这些线路缠作一团又重新连接，释放出大量的能量（太阳耀斑）或者留下扭作毛线团般的带电粒子团，从而以极低的速度（日冕物质抛射）从这些轨道飞向太空。但可能在我们所能看到的表象之下，太阳正在经历接近恒定的纳耀斑 ——微小的耀斑飙升至数千万度，逐步累积达到日冕那地狱般的温度。

一种存在更长久的解释是——波。毕竟，热量只是粒子快速移动的结果。粒子移动得越快，它们的温度就越高。科学家们认为，就像海浪能以高速将水冲到海滩上，太阳内部的波也可能冲向太阳的最外层。然而几十年来，科学家已经能够测量出声波是无法携带足够的能量来作为波源。但太阳内部还充满了许多不同类型的波，因此其他类型的波仍在研究分析中，其中包括阿尔文波，它专门穿梭于等离子体和磁力线，恰恰是太阳物理学家们最感兴趣的环境。

我们已经拥有许多卫星用于跟踪太阳，但今年发射的帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）才刚刚开启它的观测使命。本周一帕克探测器以343,100公里/小时的速度首次经过近日点（距离太阳仅2400万公里），这是人造飞行器最靠近太阳的位置，而此速度同时打破了之前人造飞行器的最快速度！

帕克探测器将持续观测太阳到2025年，科学家们希望通过抵达最为接近太阳的观测点，来解答关于纳耀斑或阿尔文波的那些问题，亦或正如有些人已怀疑的那样——是这两种机制更为复杂的组合。

责任编辑：王延昕

美国宇航局双立体观日航天器拍摄到日冕物质喷射