太阳磁场的起源可能靠近其表面

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这幅图描绘了美国国家航空航天局太阳动力学观测站拍摄的太阳磁场。复杂的线条叠加可以让科学家了解太阳的磁性是如何随着太阳内外的不断运动而变化的。来源：NASA/SDO/AIA/LMSAL

据麻省理工学院：太阳表面是由太阳磁场驱动的太阳黑子和耀斑的精彩展示，太阳磁场是通过一个称为发电机作用的过程在内部产生的。天体物理学家认为，太阳场是在恒星深处产生的。但麻省理工学院的一项研究发现，太阳的活动可能是由一个浅得多的过程形成的。

在《自然》杂志上发表的一篇论文中，麻省理工学院、爱丁堡大学和其他地方的研究人员发现，太阳磁场可能是由太阳最外层的不稳定性引起的。

该团队生成了一个精确的太阳表面模型，发现当他们模拟太阳顶部5-10%内的某些扰动或等离子体（电离气体）流动的变化时，这些表面变化足以产生真实的磁场模式，其特征与天文学家在太阳上观察到的相似。相比之下，他们在更深层次的模拟产生了不太真实的太阳活动。

研究结果表明，太阳黑子和耀斑可能是浅磁场的产物，而不是科学家们在很大程度上假设的起源于太阳深处的磁场。

麻省理工学院数学系的研究科学家、研究作者基顿·伯恩斯说：“我们在看太阳时看到的特征，比如许多人在最近的日食、太阳黑子和太阳耀斑中看到的日冕，都与太阳磁场有关。”。

“我们表明，远离深层的太阳表面附近的孤立扰动可以随着时间的推移而增长，从而有可能产生我们所看到的磁结构。”

如果太阳的磁场确实来自最外层，这可能会让科学家有更好的机会预测有可能破坏卫星和电信系统的耀斑和地磁暴。

“我们知道发电机就像一个巨大的时钟，有许多复杂的相互作用的部分，”合著者、爱丁堡大学的研究员杰弗里·瓦西尔说。“但我们不知道其中的许多部分，也不知道它们是如何结合在一起的。这种关于太阳能发电机如何启动的新想法对理解和预测它至关重要。”

该研究的合著者还包括西北大学的Daniel Lecoanet和Kyle Augustson，贝茨学院的Jeffrey Oishi，科罗拉多大学博尔德分校的Benjamin Brown和Keith Julien，以及加州大学圣克鲁斯分校的Nicholas Brummell。

流动区

太阳是一个炽热的等离子体球，在其表面沸腾。这个沸腾区域被称为“对流区”，等离子体层和羽流在这里翻滚和流动。对流区包括太阳半径的顶部三分之一，在地表以下延伸约20万公里。

Burns解释道：“如何启动发电机的一个基本想法是，你需要一个有大量等离子体经过其他等离子体的区域，剪切运动将动能转化为磁能。”。“人们曾认为，太阳的磁场是由对流区最底部的运动产生的。”

为了确定太阳磁场的确切来源，其他科学家使用了大型三维模拟，试图求解太阳内部许多层的等离子体流动。伯恩斯说：“这些模拟需要在国家超级计算设施上花费数百万小时，但它们产生的湍流仍然远不如实际的太阳。”。

Burns和他的同事们想知道，研究表面附近等离子体流的稳定性是否足以解释发电机过程的起源，而不是模拟整个太阳体内等离子体的复杂流动。

为了探索这一想法，该团队首先使用了“日震学”领域的数据，科学家们利用观测到的太阳表面振动来确定表面下等离子体的平均结构和流动。

Burns说：“如果你拍一段鼓的视频，观察它是如何以慢动作振动的，你就可以从振动模式中计算出鼓头的形状和刚度。”。“同样，我们可以利用我们在太阳表面看到的振动来推断内部的平均结构。”

太阳能洋葱

在他们的新研究中，研究人员从太阳地震观测中收集了太阳结构的模型。Burns解释道：“这些平均流量看起来有点像洋葱，不同的等离子体层相互旋转。”。“然后我们问：等离子体流中是否存在扰动或微小变化，我们可以将其叠加在这个平均结构的顶部，这可能会导致太阳磁场的产生？”

为了寻找这种模式，该团队利用了Dedalus项目——Burns开发的一个数字框架，可以高精度模拟多种类型的流体流动。该代码已应用于广泛的问题，从单个细胞内的动力学建模，到海洋和大气环流。

Burns说：“我的合作者多年来一直在思考太阳磁性问题，Dedalus的能力现在已经到了我们可以解决的地步。”。

该团队开发了算法，并将其纳入Dedalus中，以发现太阳平均表面流量的自增强变化。该算法发现了新的模式，这些模式可能会增长并导致现实的太阳活动。特别是，该团队发现了与自1612年伽利略以来天文学家观测到的太阳黑子的位置和时间尺度相匹配的模式。

太阳黑子是太阳表面的瞬态特征，被认为是由太阳磁场形成的。这些相对较冷的区域与太阳其他炽热表面相比，看起来像是黑点。天文学家长期以来一直观察到，太阳黑子以周期性的模式出现，每11年增长和消退一次，通常围绕赤道而不是两极。

在该团队的模拟中，他们发现等离子体流的某些变化，仅在太阳表层的顶部5-10%内，就足以在相同区域产生磁结构。相比之下，更深层次的变化会产生不太现实的太阳场，这些太阳场集中在两极附近，而不是赤道附近。

该团队的动机是更仔细地观察表面附近的流动模式，因为那里的条件类似于完全不同系统中的不稳定等离子体流动：黑洞周围的吸积盘。吸积盘是由气体和恒星尘埃组成的巨大圆盘，在“磁旋转不稳定性”的驱动下向黑洞旋转，这会在气流中产生湍流并导致其向内坠落。

Burns和他的同事怀疑，太阳中也存在类似的现象，太阳最外层的磁旋转不稳定性可能是产生太阳磁场的第一步。

“我认为这个结果可能会引起争议，”他说。“社区的大多数人都专注于在太阳深处寻找发电机的活动。现在我们正在证明，有一种不同的机制似乎更符合观测结果。”

Burns说，该团队正在继续研究新的表面场模式是否能产生单个太阳黑子和整个11年的太阳周期。