邂逅星空“烈焰” ：探究太陽之謎

出品：科普中國

作者：云朝昂、沈金花（中國科學院新疆天文臺）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。

2024年5月，一部有關(guān)阿勒泰的電視劇登頂全網(wǎng)收視榜，劇中阿勒泰的美渾然天成，鏡頭之下，山川、叢林、天空、曠野，無不獨具性靈。作為新疆美景的其中一張“明信片”，阿勒泰的星空也獨具魅力，接連上演的“極光”盛宴美不勝收。

這是在新疆阿勒泰地區(qū)富蘊縣拍攝到的極光

（圖片來源：新華社 戴建峰 攝）

戴建峰拍攝于新疆阿勒泰

（圖片來源：新華社）

美麗的星空“烈焰”——極光

極光是地面上能用肉眼看到的、由太陽風等離子體與地球磁層相互作用產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象。

極光的出現(xiàn)與太陽耀斑有一定關(guān)系，耀斑是太陽大氣局部區(qū)域突然增亮的活動現(xiàn)象，太陽本身是一個巨大的“磁球”，耀斑往往出現(xiàn)在磁場結(jié)構(gòu)復雜的活動區(qū)，在耀斑活動區(qū)，隨著活動區(qū)磁能的不斷積累，磁力線會發(fā)生“扭曲”，這些扭曲的磁力線像擰緊的橡皮筋一樣，一旦扭曲的磁力線由于重聯(lián)發(fā)生截斷將會在短時間內(nèi)釋放出大量的能量。此時在日冕大氣的等離子體會被迅速加熱和加速，伴隨有各種波段的增強的電磁輻射和粒子發(fā)射，這種強烈的爆發(fā)現(xiàn)象，即耀斑。

耀斑爆發(fā)過程中常伴有大量的日冕的等離子體被拋入日地空間，稱為“日冕物質(zhì)拋射”。太陽不斷地從它的表面向周圍的空間噴射物質(zhì)，在太陽活動周期的高峰期，每天可能會發(fā)生2-3次日冕物質(zhì)拋射(CME)，這些等離子體物質(zhì)以每秒幾百至上千公里的速度運行，面向地球的等離子體將會引發(fā)地球磁場大小和方向的擾動，從而產(chǎn)生“地磁暴”以及其他極端空間天氣事件，極光是地磁暴可視化的表現(xiàn)。

磁暴期間，等離子體與磁層相互作用后注入極區(qū)的粒子會大幅度增加，注入地球磁場的緯度范圍也會擴大，使得處于地球中高緯度的新疆等地能夠看見極光。

太陽耀斑

（圖片來源：veer圖庫）

中國科學院新疆天文臺是西北地區(qū)唯一的綜合性天文臺，因極光廣泛收到社會關(guān)注，近期新疆天文臺太陽團組成員也秉持著科學家的責任，非常愿意與大眾分享相關(guān)的科普知識。其實，太陽活動是具有大約11年的周期。太陽活動最活躍的時期稱為“極大期”，最不活躍的時期稱為“極小期”。在極大期，太陽黑子的數(shù)量增加，耀斑的發(fā)生頻率也會增加，相反，在極小期，黑子數(shù)量和耀斑發(fā)生頻率都會減少。

2013-2014年是太陽活動的極大期，預計太陽活動將在2024-2025年迎來第25個極大期，2024年正處極大期的上升階段，太陽耀斑爆發(fā)非常頻繁，下圖是2024年5月產(chǎn)生的幾十個極端耀斑事件，引發(fā)了地磁暴，并在新疆、北京等地形成了絢麗多彩的極光。耀斑爆發(fā)的能級從小到大分成A、B、C、M、X五個等級，等級依次增強。

大部分太陽耀斑的壽命僅在幾分鐘到幾十分鐘之間，并在短時間內(nèi)會伴隨大量能量釋放，如XX1級耀斑瞬間釋放的能量相當于地球上相同接收面積1000多年時間接收到的能量總和。

今年5月部分時間太陽耀斑爆發(fā)能量觀測結(jié)果

（圖片來源：空間環(huán)境預報）

知己知彼 防患未然

地磁暴會在全球各地引發(fā)通信障礙、停電和衛(wèi)星失效等問題，其中最著名的要數(shù)卡林頓事件。1859年9月1日早晨，英國天文愛好者卡林頓在觀測太陽黑子時，發(fā)現(xiàn)太陽北側(cè)的一個大黑子群內(nèi)突然出現(xiàn)了兩道極其明亮的白光，在一大群黑子附近正在形成一對明亮的月牙形東西。后經(jīng)確認，卡林頓看到的這一現(xiàn)象是太陽耀斑爆發(fā)的過程，這一事件被稱為卡林頓事件。

在耀斑爆發(fā)十七個半小時以后，地磁儀的指針因超強的地磁強度而跳出了刻度范圍，幾乎同一時間，各地電報局電報機的操作員報告說他們的機器在閃火花，甚至電線也被熔化了，且在這天夜里，天空中五顏六色的北極光一直向南彌漫至古巴和夏威夷等地。

北極光

（圖片來源：veer圖庫）

卡林頓事件是一次超強太陽活動爆發(fā)事件。類似的超強事件在歷史上曾出現(xiàn)過多次，例如1989年3月的那次太陽風暴曾經(jīng)造成加拿大魁北克省整個配電網(wǎng)故障，而2003年10月30日特大的太陽風暴曾使兩顆衛(wèi)星失靈，造成全世界通信和電網(wǎng)中斷。

基于此，科學家們認為太陽活動爆發(fā)的研究一方面是太陽物理基礎(chǔ)研究的核心問題，是研究其他恒星和等離子體物理的天然實驗室，為未來探究日冕加熱問題等提供幫助；另一方面是可以預報太陽活動，為災(zāi)害性空間天氣提供有效的提前預警。

太陽表面與太陽耀斑概念圖

（圖片來源：veer圖庫）

太陽研究我們有話要說

自20世紀80年代，中國科學院新疆天文臺便在南山觀測站建成了太陽色球、光球雙筒望遠鏡和太陽射電望遠鏡等設(shè)備，主要開展太陽耀斑爆發(fā)的物理機制研究并提供太陽活動的預報。

南山觀測站遠景圖

（圖片來源：中國科學院新疆天文臺）

經(jīng)多年發(fā)展，新疆天文臺太陽物理研究團組于2018年正式成立，團組成立后聚焦新疆天文臺科研中心工作，以搶占科技制高點為目標，取得了一系列研究成果：

一是在太陽活動爆發(fā)磁能釋放過程中研究了耀斑環(huán)和日冕磁環(huán)的動力學演化(Shen ApJ,2014)，首次揭示了耀斑早期磁流繩形成的過程(Shen,ApJ,2017），首次報道了耀斑早期磁流繩電流的注入驅(qū)動了耀斑的爆發(fā)(Shen,RAA,2022,2023)，運用高分辨率的觀測，報道浮現(xiàn)活動區(qū)米粒浮現(xiàn)過程的偶極場分離運動和拱形暗條系的形成，揭示了小尺度磁流浮現(xiàn)的起源(Shen,ApJ,2022)，在日冕加熱問題的研究中直接觀測到太陽光球磁聲波振蕩導致的日冕加熱(Hashim，RAA,2021，ApJ 2024)。

二是在太陽射電爆發(fā)及輻射機制研究方面，提出了射電V型和運動IV型爆發(fā)可能的輻射模型(Tang,ApJ,2016,2020)，太陽射電精細結(jié)構(gòu)的研究(Tang,RAA,2021,Wan A&A,2021)。

三是在激波粒子加速方面，模擬研究雙激波追趕效應(yīng)，模擬研究CME激波與地球弓激波“迎面”碰撞，發(fā)現(xiàn)了合并的粒子能譜出現(xiàn)“折斷”特征(Wang,ApJ,2017)，發(fā)現(xiàn)了粒子注入率與加速效率成正相關(guān)關(guān)系(Wang,ApJ,2019)。

磁流繩形成的證據(jù)

（圖片來源：作者提供 Shen et al, ApJ,2017）

耀斑前兆非熱電子加速的證據(jù)

（圖片來源Shen et al, RAA,2022）

作為“十四五”重點培育方向，新疆天文臺太陽物理“太陽活動爆發(fā)與空間天氣研究”通過揭示不同尺度太陽活動爆發(fā)的動力學演化、耀斑磁能積累和釋放、日冕加熱等做出系列研究工作。我們的研究成果一方面可以解決太陽物理基礎(chǔ)研究的核心問題，另一方面能夠準確預報太陽活動的爆發(fā)，為災(zāi)害性空間天氣提供可靠的預警信息。

日冕加熱通道的研究證據(jù)

（圖片來源：Haxim et al. ApJ, 2024作者提供）

雖比高飛雁，猶未及青云。新疆天文臺太陽物理研究團組處在黃金時代，在不久的將來，一是要爭取在低頻段建設(shè)超高時間和頻譜分辨率的射電望遠鏡，或?qū)ΜF(xiàn)有觀測設(shè)備進行必要的升級改造，以滿足更高水平的太陽觀測；二是爭取更多的小型太陽望遠鏡能夠落實落地，支撐我國太陽物理實測研究的快速發(fā)展；三是利用國際國內(nèi)大口徑望遠鏡，對不同尺度太陽爆發(fā)活動的物理機制開展研究，為空間天氣預報做到及時預警。

未來的路需要交給時間去驗證，新疆天文臺太陽物理團組成員將緊抓當下、布局未來，用無悔的青春鋪就通往美好明天的科學之路。