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科學家首次拍攝到太陽表面最高清的圖片
科學家首次拍攝到太陽表面最高清的圖片(jinrijiazhou/視頻截圖)

太陽表面居然像人體細胞結構 日冕溫度卻能超過100萬攝氏度

【希望之聲2020年7月30日】(編輯:郭曉)從古至今,無垠的宇宙一直讓人類充滿好奇,那深邃的黑暗中擁有着讓探索者難以自拔的神祕。而宇宙中那些奇異且讓人們瞠目的景象,更促使探索者對它趨之如騖,誰都想揭開它隱藏其中的奧祕。但是我們發現越深挖宇宙的奧祕,就越能體會到其隱藏在未知中的浩瀚以及一些奇異景象帶來的震撼。科學家們一直在探索着我們人類賴以生存的太陽系,期望弄清楚它及其未來又會如何發展。

作爲太陽系的中心天體,太陽佔有太陽系總體質量的99.86%。太陽系中的八大行星、小行星、流星、彗星、外海王星天體以及星際塵埃等,都圍繞着太陽公轉。在人類眼中,太陽形象應該是這樣的,採用核聚變的方式向太空釋放光和熱。

然而科學家通過世界上最強大的太陽望遠鏡——夏威夷Haleakala山頂上4米高的Daniel K. Inouye太陽望遠鏡(DKIST),拍下了迄今爲止太陽表面最高清的圖片,這也是有史以來從地面拍攝到的最詳細的圖像。科學家稱這是自伽利略時代之後人類太陽研究的一次重大飛躍。

之所以人類很難獲取太陽表面真實圖像,因爲太陽每秒都要燃燒約500萬噸氫燃料。將鏡頭直接對準這樣一個表面溫度爲6000攝氏度的星體,物鏡聚光後會聚光到目鏡組裏。超高的溫度可以在瞬時內將金屬都融化,所以需要非常強大的冷卻系統。除此之外,拍攝太陽表面構造需要極爲強大的太陽望遠鏡

太陽構造表面由內而外分光球層與色球層。一般我們僅能對光球層表面連續光譜做直接觀測,這裏可觀測到構造爲黑子/白斑與米粒組織。色球層密度比光球層稀薄。溫度有幾千至幾萬攝氏度;色球層主要光線是由氫原子的Hα譜線(波長6560埃)所產生,發出的光只有光球層的幾千分之一(太陽的大氣層只有2000-3000km),因爲在強光的光球層上需要用太陽望遠鏡或專用窄平太陽濾鏡觀測。

哈雷阿卡拉天文臺
哈雷阿卡拉天文臺(示意圖:Ekrem Canley/wikipedia)

科學家爲了拍攝到太陽表面的高清圖像,通過11公里長的管道將冷卻劑分配到整座天文臺,用於白天降溫。望遠鏡的穹頂本身則被冷卻薄板覆蓋,內部還有提供陰影的擋板結構。

太陽望遠鏡拍攝的圖像中,太陽彷彿是流動的黃金,展現出太陽作爲等離子體物質組成的複雜的結構,呈現出細胞狀的結構。那麼什麼是等離子體呢?如果我們將水持續加熱到幾千度以上,水蒸氣中的原子就會丟掉了自身的電子,發生電離化現象,而這種電離化後的氣體所呈現的形態就是物質的第四態,即等離子態。

等離子態常被稱爲“超氣態”,它和氣體有很多相似之處,比如:沒有確定形狀和體積,具有流動性。但是它也具有很多獨特的的性質。普通氣體由電中性的分子或原子組成,而等離子體則是帶電粒子和中性粒子的集合體。DKIST捕捉到的細節精確至30公里(18英里)寬,每個“細胞”都相當青海省那麼大。這些照片讓人們看到太陽彷彿是有生命的,也擁有類似生物細胞表面的“皮膚”。

這些細胞樣結構顯示了太陽表面過熱氣體翻動的模式。太陽表面翻滾着等離子,這些等離子構成的湍流,將太陽內部的熱量傳輸到太陽表面,冷卻後再通過黑暗通道下沉,構成一種對流。明亮的“細胞”表示等離子體從太陽深處升起,而“細胞”間較暗的邊界則表示等離子體正在冷卻和下沉。

科學家希望通過這些照片瞭解太陽磁場,從而可以對太陽爆發進行預測,太陽磁場主要在太陽大氣層:光球、色球和日冕低層中,而在太陽內部或日冕外則很弱,因爲等離子體大致就是原子發生電離而形成的電子與離子分離的帶電粒子混合狀態。當帶電粒子發生運動,它們會自然而然地形成磁場,而反過來這又會影響到這些帶電粒子的運行路徑。太陽內部的等離子體不斷運動,形成一個複雜的因果循環流動模式,並最終形成了強大的太陽磁場。這一磁場形成機制被稱作“太陽發電機”(solar dynamo)。

耀斑作爲最強烈的太陽活動現象。一次大耀斑爆發可以釋放10^30~10 ^33爾格的能量,這個能量科學家認爲可能來自磁場。

耀斑是產生災害性空間天氣的重要源頭。它們產生的高能輻射以及磁化等離子體經過長途跋涉,到達地球空間附近後,會對地球周圍磁場及電離層產生強烈擾動,進而對航天器、通信、導航等產生影響。因此對太陽磁場有所瞭解將是我們理解太陽系空間性質的必要步驟。

人類目前對於太陽磁場還缺乏完整瞭解,包括理解它的產生原理以及在太陽深部的結構。科學家希望通過對太陽磁場進行深入瞭解,從而摸清楚耀斑爆發的規律,更好地預測這樣的事件,並提早發出預警。科學家還將對太陽表面繼續深入探索,並且希望最終能夠解決困擾人們半個世紀的兩個難題:爲什麼日冕(溫度超過100萬攝氏度)比太陽表面熱那麼多?爲什麼太陽風可以從初生太陽風的10km/s加速到300km/s?

責任編輯:田喆

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