意料之外的太阳“甘霖”，联系起了两大太阳科学之谜

在2017年中期的5个月里，艾米莉•梅森（Emily Mason）每天都重复着同样的事情：来到美国航空航天局（NASA）位于马里兰州格林贝尔特的戈达德航天中心（Goddard Space Flight Center），坐在自己的办公桌前，打开她的电脑，然后凝视太阳的各类图片——就这样看一整天，每天如此。“我大概查看了相当于三到五年间的图片数据。”梅森估计道。忽然，在2017年10月的时候，她停了下来，因为她意识到一直以来她所仔细查看的对象是错的。

梅森是华盛顿特区美国天主教大学（The Catholic University of America）的研究生，目前正在寻找日冕雨（coronal rain）：一种巨大的等离子体（plasma）团状物或电气化的气体团，它们从太阳外层大气以雨滴般的形状洒落回太阳表面。梅森一开始预计能找到日冕雨的位置会是盔状冕流（helmet streamer），一个数百万千米高的磁环（magnetic loop）区域，因与骑士的尖头盔形状相似而得以命名，在日食期间能明显观察到从太阳中突出的形状。计算机模拟预测，在盔状冕流中可能会找到日冕雨。对从太阳逃逸进入太空的气体，也就是太阳风（solar wind）的观察暗示着，日冕层中可能正在“降雨”。如果梅森能够找到日冕雨，那么日冕雨产生背后的物理机制将对一个谜题产生重大的影响，这个谜题困扰了科学家七十多年：太阳的外层大气，即日冕（corona）为何比太阳表面的温度高出如此之多。然而，经过了近半年的寻找，梅森根本就找不到日冕雨的踪迹。“踏破铁鞋，”梅森说道，“寻觅的对象却压根从未发生过。”

就像这张图片中左侧显示的那种冕流，梅森在盔状冕流中寻找着日冕雨。这张图片拍摄于1994年日食期间的南美洲。在冕流的西侧分支中有一个较小的伪冕流（pseudostreamer），位于图中的右侧。因与骑士的尖头盔形状相似而得以命名，盔状冕流向外延伸到太阳最外层的微弱日冕，在太阳耀眼的表面阳光受到遮挡时最容易被观测到。
版权：© 1994乌皮采天文台（Úpice observatory）和沃伊捷赫•鲁辛（Vojtech Rušin），© 2007米洛斯拉夫•德鲁克米勒（Miloslav Druckmüller）

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而事实上，问题不是出在她所找的对象上，而是出在了她所找的地方。在4月5日发表于《天体物理学杂志快报》（Astrophysical Journal Letters）的论文中，梅森和她的共同作者描述了在某处第一次观测到日冕雨的发现，这个地方就是一种此前一直被忽视的较小的太阳磁环。在错误方向上漫长而曲折的寻觅之后，这项发现在日冕的异常高温和低速太阳风（slow solar wind）的起源之间建立了新的联系，而这两者则是如今太阳科学所面临的最大的两个谜团。

太阳上如何降下甘霖

太阳是一个等离子体大火球，充斥着围绕巨大燃烧着的磁环而生的磁场线，借助安装在NASA太阳动力学天文台上的高分辨率望远镜，研究人员观测到的太阳与地球似乎毫无物理性质上的相似之处。但在对太阳炽烈混乱的解析上，我们的地球母亲提供了一些有用的指引：其中就包括降雨。

在地球上，降雨只是恢弘水循环的其中一部分，是热量推动与重力拉动之间无休无止拉锯战的一部分。当汇聚在地球表面海洋、湖泊和溪流这些地方的液态水被太阳加热升温，其中一部分蒸发变成水蒸气，向上进入大气层后冷却并凝聚成云，这些云的质量持续增长，直到最终抵抗不了重力的作用，这些水便以降雨的形式落回地球，再次汇聚，如此循环往复。

梅森表示，太阳上日冕雨的形成机制与上述过程类似：“但不同于（地球上）60度的水，（在太阳上）你所面对的是上百万度的等离子体。”等离子体是一种带电气体，不会像水一样聚集在一起，而是沿着太阳表面浮现的磁环运动，就像过山车沿着轨道运动一样。在磁环的底部，也就是磁环链接太阳表面的地方，等离子体被加热到几千到180万华氏度（约100万摄氏度）的极高温度。在如此高温的条件下，等离子体向外延伸，在磁环的最高处聚集，离加热源相当之远。当温度下降时，这些等离子体密度就会变大，凝结成日冕雨被太阳引力拉回磁环的底部。

梅森此前一直在盔状冕流中寻找日冕雨，但她在这个特定区域寻找的动机，更多是因为这一潜在的加热-冷却循环而非日冕雨本身。至少从二十世纪九十年代开始，科学家就已经知道盔状冕流是低速太阳风的一个来源，低速太阳风是一种速度相对缓慢、密度相对更大的气体流，与速度更快的太阳风分离开来，各自为营从太阳逃逸进入太空。然而，对慢速太阳风的测量结果显示，在冷却下来逃离太阳之前，慢速太阳风曾被加热到极高的温度。如果日冕雨背后这一加热-冷却的循环过程是在盔状冕流内部发生的，那它可能就是揭开低速太阳风涞源之谜的重要一环。

谜团背后的另一个原因则与日冕加热问题（coronal heating problem）有关。日冕加热问题指的是：太阳外层大气的温度比太阳表面高出近300倍的未解之谜，我们仍不知道这一现象的机制和原因。模拟显示，只有在对磁环的最底端施加热量时，日冕雨才会形成，这一点有些不同寻常。“如果日冕雨在某个磁环上降下，那就说明在这个磁环底部不大于10%的区域有日冕正在被加热。”梅森说道。日冕雨的降雨带为确定日冕加热的位置提供了一个测量点，或者说一个截止点，巨大的盔状冕流是他们所能发现的最大的降雨带，从盔状冕流开始寻找似乎是一个合理的决定，能将成功找到日冕雨的几率最大化。

梅森手握着这项研究工作最理想的数据：由NASA的太阳动力学天文台拍摄的图像。太阳动力学天文台这一航天器每12秒就会对太阳进行一次拍摄，从2010年发射开始，从未间断。然而，寻找日冕雨的工作已经进行了半年之久，梅森始终没能在任何盔状冕流中发现哪怕一星半点日冕雨的踪迹；不过她注意到了一些对她来说并不熟悉的微小磁性结构。“它们的亮度非常高，一直吸引着我的注意力，”梅森说道，“当我终于不再对它们视若无睹的时候，我发现在这些微小磁性结构里，日冕雨会一次性持续降落数十个小时。”

冕雨有时能在太阳爆发（solar eruption）期间被观测到，就像这幅来自NASA太阳动力学天文台（Solar Dynamics Observatory，SDO）2012年的动图所示，与太阳耀斑（solar flare）相关的剧烈加热现象在太阳爆发后突然中断时，余留的等离子体就会冷却并落回到太阳表面。梅森所寻找的日冕雨与太阳爆发无关，而是由周期性的加热-冷却过程引起，类似地球上的水循环。
版权：NASA的太阳动力学天文台/科学可视化工作室/首席动画师汤姆•布里奇曼（Tom Bridgman）

一开始，梅森专注并执着于她的盔状冕流搜寻工作，以至于踏破铁鞋却一无所获。“她参加组会的时候说道：‘我一直找也找不到，在这些其他的结构里我一直看到日冕雨的降落，但就是无法在盔状冕流里发现它们。’”尼科琳•维奥（Nicholeen Viall）说道，她是戈达德的一名太阳科学家，同时也是论文的共同作者。“然后我说：‘什么？等一下，你在哪看到日冕雨了？我认为还从来没有人发现过那些结构！’”

日冕加热的测量标杆

这些结构在很多方面都与盔状冕流不同，但其中最引人注目的是它们的大小。

“这些磁环比我们所寻找的要小得多，”斯皮罗•安蒂奥克斯（Spiro Antiochos）说道，他是戈达德的太阳物理学家，同时也是论文的共同作者，“所以这意味着，日冕加热的局域性比我们想象中的要更甚。”

梅森的文章分析了3处“日冕雨空点拓扑结构”（Raining Null-Point Topologies，RNTPs）的观察，RNTPs是一种磁性结构，此前一直被忽视，在这张图中以两种极紫外光（extreme ultraviolet light）的波长显示出来。在这些相对较小的磁环中观察到的日冕雨表明，日冕加热发生的区域可能比此前预期的范围限制更小更集中。

版权：NASA的太阳动力学天文台/艾米莉•梅森

虽然这一研究结果并没有解释日冕究竟是如何被加热的，“但这一发现的确进一步缩小了日冕加热可能发生的范围。”梅森说道。她找到了高度约为3万英里（4.8万千米）的降雨带，这大概是她最初搜寻的盔状冕流高度的百分之二；而日冕雨则缩小了日冕加热可能发生的范围。“我们仍不清楚究竟是什么在对日冕进行加热，但我们知道这一过程必须在这一层结构中发生。”

慢速太阳风的新来源

然而，此次的观察中有一处不符合从前的理论：基于现有的理解，日冕雨只会在闭合的磁环中形成，因为在闭合的磁环中，等离子体可以在没有任何逃逸路径的情况下聚集并冷却；但随着梅森对数据的筛选，她在非闭合的开放磁场线中也发现了日冕雨的存在。这些磁场线的一端固定在太阳上，另一端则延伸到了太空里，因此这些磁场线上的等离子体能够逃逸形成太阳风。为了解释这一反常的发现，梅森和她的团队提出了另一种分析，她们将这些微小磁性结构中的日冕雨与慢速太阳风的来源联系了起来。

在这个新的解释中，日冕雨等离子体的降落之旅始于一个闭合的磁环，但通过一种被称为磁重联（magnetic reconnection）的方式，这个闭合的磁环在中途会转换成一个开放的磁环。磁重联这种现象在太阳上时常发生：当一个闭合的磁环撞上了一条开放的磁场线时，该系统就会自动重联。突然之间，闭合磁环上被过度加热的等离子体发现自己处于一条开放的磁场线上了，就像火车突然变轨一样。某些等离子体会迅速膨胀、冷却，然后以日冕雨的形式降回到太阳表面；另外的等离子体则会逃逸进入太空，他们推测这些等离子体会成为慢速太阳风的一部分。

梅森目前正在对这一新的解释进行计算机模拟，她同时也希望，即将与世人见面的观测数据能证实这个新的解释。如今，于2018年发射的帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）正在前往太阳的途中，它已经比此前所有的航天器都要接近太阳，它能飞跃慢速太阳风的爆发之处，而慢速太阳风能追溯到太阳表面发生的事件，这之中可能就有梅森的日冕雨事件。在开放的磁场线上观察到日冕雨之后，一部分等离子体逃逸到太空中变成太阳风，通常情况下我们的后代将不再能看到这些等离子体；但不久之后这将不再是一个难办的问题，“未来我们或许可以通过帕克太阳探测器让我们的后辈‘见到’这些等离子体，并告诉他们，‘看，那就是。’”维奥说道。

在数据中挖掘真相

那么在盔状冕流中究竟能否找到日冕雨呢？研究人员仍然没有放弃继续搜寻。模拟的结果清楚地显示：那里确实应该存在日冕雨。“可能只是雨点太小了所以我们还没看到？”安蒂奥克斯说，“我们也不知道。”

但是话说回来，如果梅森一开始就在盔状冕流中找到了她所寻觅的日冕雨，那她可能就不会有现在的这个新发现，或者只是将所有的这些时间花费在了理解太阳数据的来龙去脉上。

“这项工作听起来是个苦差事，但说实话，这是我最喜欢做的事情，”梅森说，“我的意思是，这正是我们建造能拍摄如此多太阳照片的探测器的原因：这样我们就能对它们进行分析，弄明白其中的奥秘。”

参考：
[1] https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/unexpected-rain-on-sun-links-two-solar-mysteries
[2] https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0c5d