在任何給定時刻，太陽表面都會發(fā)生多達(dá)1千萬次的強勁物質(zhì)噴射。噴射速度可達(dá)60英里每秒，在潰散之前可遠(yuǎn)達(dá)6000英里。這就是針狀體，雖然像雜草那么多，但科學(xué)家無法理解他們怎么形成的�，F(xiàn)在，一個詳細(xì)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(xué)家理解針狀體是如何從太陽表面分離出來并飆升得如此迅速的。

這一工作依賴于NASA的太陽過渡層成像光譜儀衛(wèi)星(IRIS)和位于拉帕爾馬的瑞典1米太陽望遠(yuǎn)鏡的觀測。飛船和望遠(yuǎn)鏡一起對太陽大氣層的底層進(jìn)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(fā)表在6月22日的科學(xué)雜志上，這也正是IRIS慶祝在太空的四周年之期(6月26日)。

credit: 煎蛋畫師六翼

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(xué)領(lǐng)導(dǎo)Bart De Pontieu說道：“我們的研究利用了數(shù)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(dāng)發(fā)現(xiàn)重大差異時就改進(jìn)模型�！�

對于想理解太陽材料和能量是如何穿過并遠(yuǎn)離太陽表面的科學(xué)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(xiàn)象，形成和崩潰的歷程也只有5到10分鐘。這些纖細(xì)的結(jié)構(gòu)也很難從地球上進(jìn)行研究，地球大氣會模糊望遠(yuǎn)鏡的視野。

一個科學(xué)家團隊研究這種特定的模型已經(jīng)近10年了，不斷嘗試創(chuàng)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(shù)地講，完全電離等離子體。但科學(xué)家們知道肯定遺漏了什么，因為他們在模擬中從未見過針狀體。

科學(xué)家認(rèn)識到關(guān)鍵在于中性粒子。他們受到地球自身電離層的啟發(fā)，即高層大氣中中性和帶電粒子相互作用，形成眾多動態(tài)過程的區(qū)域。

研究團隊知道在太陽的溫度較低的區(qū)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�？茖W(xué)家先前的模型基于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硅谷的NASA艾姆斯研究中心的昴宿星超級計算機上運行。

Credit: NASA IRIS spectrograph

模型開始于等離子體在太陽大氣中移動的基礎(chǔ)理解。物質(zhì)在太陽中不斷對流或者沸騰，產(chǎn)生紊亂磁場島。當(dāng)沸騰攜帶物質(zhì)上升到表面并進(jìn)一步進(jìn)入太陽底層大氣中，磁場線迅速回退消解張力，驅(qū)逐等離子體和能量。由此誕生了針狀體。但解釋這些復(fù)雜磁力結(jié)的產(chǎn)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(qū)環(huán)境研究所的太陽物理學(xué)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(xiàn)。當(dāng)我們增加中性粒子，磁場就能自由移動了。”

Credit: Swedish 1-m Solar Telescope at the Roque de los Muchachos (La Palma, Spain)

中性粒子為磁場能量結(jié)提供了浮力，使其能上升通過太陽的沸騰等離子體，抵達(dá)色球?qū)�。在那里，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(jìn)一步加熱了等離子體，不管是針狀體內(nèi)部還是周圍。

有了這個新模型，這個模擬終于能與IRIS和瑞典太陽望遠(yuǎn)鏡的觀測相匹配了：針狀體自然且頻繁地發(fā)生。這個開發(fā)數(shù)值模型的10年工作贏得了兩名科學(xué)家Mats Carlsson和Viggo H. Hansteen，都是來自挪威奧斯陸大學(xué)的研究作者。

科學(xué)家更新后的模型揭示了某些關(guān)于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(chǎn)生阿爾文波。阿爾文波是一種強力的磁波，科學(xué)家懷疑是加熱太陽大氣、推動太陽風(fēng)的關(guān)鍵。

De Pontieu說道：“這一模型回答了我們長久以來的大量問題。我們基于高分辨率觀測逐漸增加數(shù)值模型的物理復(fù)雜性，并且也的確成功了。”

這一模擬表明針狀體能不斷迫出等離子體并產(chǎn)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。

位于馬里蘭格林貝爾特的NASA戈達(dá)德太空飛行中心IRIS任務(wù)科學(xué)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(jìn)步，利用更多的細(xì)節(jié)為研究者確定針狀體的作用奠定了基礎(chǔ)。值此發(fā)射周年慶前夕，這真是一個非常棒的成果�！�

論文原文：DOI: 10.1126/science.aah5412

本文譯自phys，由譯者 CliffBao 基于創(chuàng)作共用協(xié)議(BY-NC)發(fā)布。

給這篇稿打賞，讓譯者更有動力

支付寶打賞

[x]