IRIS观测到了蝌蚪状太阳喷流为150年历史的谜团带来了新线索

在太阳的强磁场区上，科学家们发现了一种“蝌蚪”喷流，这些可不是地球上找妈妈的那些小蝌蚪，而是完全由等离子体（plasma）构成的喷流，正式的名字叫拟似激波（pseudo-shocks）。等离子体这种导电材料由带电粒子构成，占据了可观测宇宙（observable universe）的99％之多。这一发现为天体物理学中最长久的谜团之一提供了新的线索。

这张来自IRIS的图像显示了从太阳中射出的蝌蚪状喷流，其中包含了拟似激波。
版权：Abhishek Srivastava IIT (BHU)/Joy Ng, NASA’s Goddard Space Flight Center

150年以来，科学家们一直都在试图弄清楚为什么太阳的高层大气，也就是日冕（corona）的温度比太阳表面高出了200多倍（译者注：太阳表面温度约5000℃，距离表面1600公里处的色球层温度缓慢上升至7000多℃；而再往上400公里，到达大气最外层日冕，温度像卯足了劲儿地上升，直到百万多度）。日冕这一太阳大气的最外层延伸数百万公里，不知何故温度骤升，并不断释放高能带电粒子，这些超音速粒子最终会辐射喷涌到整个太阳系中。

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当这些高能粒子抵达地球时，它们可能会对卫星和宇航员带来伤害，对无线电通信造成损害，在极强的等离子体喷射事件中甚至还会对电网形成干扰。如果能了解日冕的温度是如何变得如此之高的，就有助于我们理解造成这些伤害和干扰背后的基本物理因素。

近年来，科学家们一直在争论日冕加热问题（coronal heating problem）的两种可能解释：纳耀斑（nanoflare）模型和电磁波加热机制。纳耀斑理论提出了类似炸弹的一种爆炸，在爆炸时将能量释放到太阳大气中，纳耀斑与太阳耀斑（solar flare）类似，只是规模要远小于太阳耀斑，而纳耀斑模型则预测：在磁场线爆炸性地重新连接时，纳耀斑现象就会发生，释放出一束高温带电粒子流。另一种理论认为，一定频率的电磁波可能会将带电粒子推入色球层和日冕，从而实现加热，就像海浪推动加速冲浪者驶向海岸一样，其中最重要的加热电磁波之一被称为阿尔芬波（Alfvén wave）。科学家现在认为日冕加热的原因可能包括了以上两种理论，甚至还有其他类似的机制参与，而不是由某一种单独的机制引起的。

新发现的拟似激波或许会让这场辩论形成三足鼎立的局面，与前两种理论不同的是，拟似激波可能在特定的时间里为日冕贡献热量，这个特定的时间就是太阳活动较强的时候，例如在太阳能量达到最大值时。太阳活动周期约为11年，其间最活跃时太阳能量达到最大，太阳黑子（sunspot）、太阳耀斑和日冕物质抛射（coronal mass ejection）会增加。

“太阳蝌蚪”的发现其实带有一些运气成分，最近在分析NASA过渡区成像摄谱仪（Interface Region Imaging Spectrograph，IRIS）的数据时，科学家注意到太阳黑子（太阳表面上温度相对较低且磁场活跃的区域）中出现了独特的细长喷流，并向上4800公里贯穿至内冕（inner corona）。这些喷流头大身细，就像拖着小尾巴的蝌蚪努力向太阳大气外层游动一般。

“当时我们正在寻找电磁波和等离子体喷流，但出乎意料的是，我们注意到了这些动态的拟似激波，看起来更像是断开的等离子体喷流，而非真正的激波（shock），但同时又具有很高的能量，完全可以作为太阳辐射损失的解释。”印度瓦拉纳西理工学院（Indian Institute of Technology in Varanasi，IIT-BHU）的科学家阿布舍克•斯里瓦斯塔瓦（Abhishek Srivastava）说，他同时也是发表在《自然•天文学》（Nature Astronomy）最新相关论文的主要作者。

利用计算机建模对拟似激波的事件进行模拟，他们确定这些拟似激波可以携带足够的能量和等离子体来加热内冕。

计算机模拟显示了拟似激波是如何从太阳喷射出来，并与下方的等离子体（绿色）断开连接的。
版权：Abhishek Srivastava IIT (BHU)/Joy Ng, NASA’s Goddard Space Flight Center

科学家认为拟似激波是由磁重联（magnetic reconnection）爆发产生的。磁重联是一种爆炸性的磁力线缠绕，经常发生在太阳黑子区域以及它的周围。目前为止，科学家只在太阳黑子的边缘处观察到了拟似激波，但它们应该也会在其他高度磁化的区域出现。

虚线白框中显示的是蝌蚪状的拟似激波从太阳表面上高度磁化区域中射出。
版权：Abhishek Srivastava IIT (BHU)/Joy Ng, NASA’s Goddard Space Flight Center

IRIS对太阳的观测已有二十年之久了，在过去的五年中，IRIS则一直追踪着地球周围10000多个轨道上的太阳。NASA对太阳的关注不止于一个航空任务和观测设备，各个方面的探究都在紧锣密鼓地进行着，希望能合力解决日冕加热问题，以及有关太阳尚未解决的其他谜团。

“从一开始，IRIS科学研究的重点就是将太阳大气观测的高分辨率结果与揭示基本物理过程的数值模拟相结合，”巴尔特•德蓬蒂厄（Bart De Pontieu）说，他是位于加利福利亚帕洛阿尔托的洛克希德•马丁太阳和天体物理实验室（Lockheed Martin Solar & Astrophysics Laboratory）的研究科学家，“这篇论文很好地说明了这种协调方法的优势，IRIS科学能够为推动太阳大气的动力因素带来新的物理理解。”

NASA聚焦太阳物理学的探究里，最新成员帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）在2018年8月正式发射，它或许能够为日冕加热之谜带来一些新的线索。帕克太阳探测器将会穿越太阳日冕，追踪能量和热量在太阳高层大气的移动，探索加速太阳风（solar wind）和太阳高能粒子的机制，对远超拟似激波发生区域的大气层现象进行观测，希望能找到支持前面提到的两种加热理论的证据，与IRIS正在进行的研究互相补充。

“我们可以将这种新的日冕加热理论与帕克太阳探测器将要进行的探究结果进行比较，” 帕克太阳探测器的副项目科学家阿莱达•希金森（Aleida Higginson）说，“两者一起或许能提供更全面的日冕加热图片。” 希金森在马里兰州劳雷尔的约翰•霍普金斯大学（Johns Hopkins University）应用物理实验室工作。