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科学家首次拍摄到太阳表面最高清的图片
科学家首次拍摄到太阳表面最高清的图片(jinrijiazhou/视频截图)

太阳表面居然像人体细胞结构 日冕温度却能超过100万摄氏度

【希望之声2020年7月30日】(编辑:郭晓)从古至今,无垠的宇宙一直让人类充满好奇,那深邃的黑暗中拥有着让探索者难以自拔的神秘。而宇宙中那些奇异且让人们瞠目的景象,更促使探索者对它趋之如骛,谁都想揭开它隐藏其中的奥秘。但是我们发现越深挖宇宙的奥秘,就越能体会到其隐藏在未知中的浩瀚以及一些奇异景象带来的震撼。科学家们一直在探索着我们人类赖以生存的太阳系,期望弄清楚它及其未来又会如何发展。

作为太阳系的中心天体,太阳占有太阳系总体质量的99.86%。太阳系中的八大行星、小行星、流星、彗星、外海王星天体以及星际尘埃等,都围绕着太阳公转。在人类眼中,太阳形象应该是这样的,采用核聚变的方式向太空释放光和热。

然而科学家通过世界上最强大的太阳望远镜——夏威夷Haleakala山顶上4米高的Daniel K. Inouye太阳望远镜(DKIST),拍下了迄今为止太阳表面最高清的图片,这也是有史以来从地面拍摄到的最详细的图像。科学家称这是自伽利略时代之后人类太阳研究的一次重大飞跃。

之所以人类很难获取太阳表面真实图像,因为太阳每秒都要燃烧约500万吨氢燃料。将镜头直接对准这样一个表面温度为6000摄氏度的星体,物镜聚光后会聚光到目镜组里。超高的温度可以在瞬时内将金属都融化,所以需要非常强大的冷却系统。除此之外,拍摄太阳表面构造需要极为强大的太阳望远镜

太阳构造表面由内而外分光球层与色球层。一般我们仅能对光球层表面连续光谱做直接观测,这里可观测到构造为黑子/白斑与米粒组织。色球层密度比光球层稀薄。温度有几千至几万摄氏度;色球层主要光线是由氢原子的Hα谱线(波长6560埃)所产生,发出的光只有光球层的几千分之一(太阳的大气层只有2000-3000km),因为在强光的光球层上需要用太阳望远镜或专用窄平太阳滤镜观测。

哈雷阿卡拉天文台
哈雷阿卡拉天文台(示意图:Ekrem Canley/wikipedia)

科学家为了拍摄到太阳表面的高清图像,通过11公里长的管道将冷却剂分配到整座天文台,用于白天降温。望远镜的穹顶本身则被冷却薄板覆盖,内部还有提供阴影的挡板结构。

太阳望远镜拍摄的图像中,太阳仿佛是流动的黄金,展现出太阳作为等离子体物质组成的复杂的结构,呈现出细胞状的结构。那么什么是等离子体呢?如果我们将水持续加热到几千度以上,水蒸气中的原子就会丢掉了自身的电子,发生电离化现象,而这种电离化后的气体所呈现的形态就是物质的第四态,即等离子态。

等离子态常被称为“超气态”,它和气体有很多相似之处,比如:没有确定形状和体积,具有流动性。但是它也具有很多独特的的性质。普通气体由电中性的分子或原子组成,而等离子体则是带电粒子和中性粒子的集合体。DKIST捕捉到的细节精确至30公里(18英里)宽,每个“细胞”都相当青海省那么大。这些照片让人们看到太阳仿佛是有生命的,也拥有类似生物细胞表面的“皮肤”。

这些细胞样结构显示了太阳表面过热气体翻动的模式。太阳表面翻滚着等离子,这些等离子构成的湍流,将太阳内部的热量传输到太阳表面,冷却后再通过黑暗通道下沉,构成一种对流。明亮的“细胞”表示等离子体从太阳深处升起,而“细胞”间较暗的边界则表示等离子体正在冷却和下沉。

科学家希望通过这些照片了解太阳磁场,从而可以对太阳爆发进行预测,太阳磁场主要在太阳大气层:光球、色球和日冕低层中,而在太阳内部或日冕外则很弱,因为等离子体大致就是原子发生电离而形成的电子与离子分离的带电粒子混合状态。当带电粒子发生运动,它们会自然而然地形成磁场,而反过来这又会影响到这些带电粒子的运行路径。太阳内部的等离子体不断运动,形成一个复杂的因果循环流动模式,并最终形成了强大的太阳磁场。这一磁场形成机制被称作“太阳发电机”(solar dynamo)。

耀斑作为最强烈的太阳活动现象。一次大耀斑爆发可以释放10^30~10 ^33尔格的能量,这个能量科学家认为可能来自磁场。

耀斑是产生灾害性空间天气的重要源头。它们产生的高能辐射以及磁化等离子体经过长途跋涉,到达地球空间附近后,会对地球周围磁场及电离层产生强烈扰动,进而对航天器、通信、导航等产生影响。因此对太阳磁场有所了解将是我们理解太阳系空间性质的必要步骤。

人类目前对于太阳磁场还缺乏完整了解,包括理解它的产生原理以及在太阳深部的结构。科学家希望通过对太阳磁场进行深入了解,从而摸清楚耀斑爆发的规律,更好地预测这样的事件,并提早发出预警。科学家还将对太阳表面继续深入探索,并且希望最终能够解决困扰人们半个世纪的两个难题:为什么日冕(温度超过100万摄氏度)比太阳表面热那么多?为什么太阳风可以从初生太阳风的10km/s加速到300km/s?

责任编辑:田喆

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