英国谢菲尔德大学(University of Sheffield)研究学者Jiajia Liu带领团队首度观测到证据,证明太阳大气到处都有涡流,可能因此常产生短暂的阿耳芬脉冲(Alfvén pulses),涵盖范围如英国大小,能量从太阳表面传递到高层太阳大气;换言之,从太阳表面到太阳高层大气,温度为何会从数千度剧烈增加至数百万度,磁电浆(magnetic plasma)的波动和脉冲,可能就是解释这个问题的关键。
许多科学家曾提过各式各样理论来解释太阳大气剧烈增温的现象,但一直悬而未决。谢菲尔德大学和中国科学技术大学(University of Science and Technology of China)科学家发展出一套数学仿真系统,探究阿耳芬波在磁电浆里传递的情况,结果发现短暂的阿耳芬脉冲会在太阳光球层电浆内大量产生涡流,每个涡流大小都相当于英国爱尔兰岛的面积,任何时间点光球层都有约至少15万个这样的磁脉冲涡流。阿耳芬波是瑞典物理学家阿耳芬(Hannes Olof Gösta Alfvén)于1940年代末期提出,是电浆中沿磁场方向传播的低频横波。
Liu团队表示,宇宙到处都有涡流运动,从一般家庭水龙头流出直径大小只有几厘米的水流,到地球或太阳大气的龙卷风,太阳表面的太阳喷流,甚至规模达52万光年的螺旋星系等。最新研究首度呈现观测证据,证明太阳大气普遍存在的涡流可能产生短暂的阿耳芬脉冲。
太阳光球和色球内观测到阿耳芬脉冲和电浆涡流之间的关联示意图。光球和色球图片来自日本日光号太空船(Hinode),彩色线条显示数值仿真的磁力线,红色和蓝色曲线代表侦测到的涡流。(Source:谢菲尔德大学)
阿耳芬脉冲能沿着圆柱状的磁通管(magnetic flux tube)轻易穿透太阳大气,所以一路畅行无阻地向上抵达太阳色球层,甚至更高的日冕层。然而阿耳芬脉冲穿行磁电浆时,并不会在局部区域集中增强或变稀薄,所以很难直接观测阿耳芬模式。阿耳芬脉冲也无法与其他种磁电浆模式分别,例如称为“扭折模式”(kink mode)的横向磁电浆波。
Liu团队侦测到的阿耳芬脉冲携带的能通量,估计比加热局部上层色球大气需要的能量还高10倍以上。色球界在太阳表面和最外层的炽热日冕之间,厚度并不厚,日全食的时候可见呈玫红色。虽然日冕增温问题并未完全解决,但至少现在了解光球层内规模如英国大小的磁电浆涡流可能扮演重要的传递角色,且不仅传递能量,可能也有物质质量传输,值得进一步探讨。
灰色圆柱代表磁通管,绿色为磁力线。紫线代表磁阿耳芬脉冲传递的区域。中间盘面的不同颜色代表不同局部电浆密度。这张示意图描述磁阿耳芬电浆脉冲在色球涡流中看起来是什么模样。(Source:谢菲尔德大学)