太阳磁场环中的“寻雨记”

日冕雨实图

近年来，美国天主教大学（The Catholic University of America，简称CUA）的研究生Emily Mason一直正在寻找日冕雨（coronal rain）——一种由等离子体或带电气体组成的巨大球体，它们从太阳的外层大气滴落回太阳表面时，形成的现象。她曾经希望能在盔状冕流（helmet streamers）——形成于太阳表面、高达数百万英里、形如骑士尖头盔的磁场环——中找到它，因为计算机模拟实验结果预测那里会有日冕雨。再者，对太阳风——从太阳中逸出并进入太空的气体——的观测结果表明，现在可能正在发生日冕雨。

据美国“物理学网”（Phys.org）4月5日消息称，《天体物理学杂志快报》同日刊发的一篇研究论文中，描述了Mason和合作者们在一个规模更小的、以前被忽视的太阳磁场环中第一次观测到日冕雨。

Mason指出，日冕雨和地球上的水循环系统有着类似的机制，她说：“但（前者）循环的不是60华氏度的水，而是100万度的等离子体。”等离子体是一种带电气体，它不像水一样聚集在一起，而是沿着太阳表面形成的磁场环运动，就像轨道上的过山车。在磁场环的“落脚点”，即它与太阳表面相连的地方，等离子体被急剧加热，温度陡然从几千华氏度上升到180多万华氏度以上。然后，磁场环扩大了回路，等离子体在远离热源的峰值处聚集起来。当等离子体冷却时，它便发生凝结，太阳引力随之吸引它沿着环路降落下来，从而形成日冕雨。Mason一直在盔状冕流中寻找日冕雨，但是她去那里寻找日冕雨的动机更多地是由于其中潜在的加热和冷却循环机制，而不是现象本身。

慢太阳风是一种相对较慢、密度较大的气体流，它会从快速移动的气体中分离出来。从20世纪90年代中期开始，科学家们就知道盔状冕流是慢太阳风的来源之一。但是，对慢太阳风中气体的测量结果显示，这些气体在冷却和逃离太阳之前，曾经被加热到极端的高温。如果日冕雨背后的加热和冷却的循环过程就是发生在盔状冕流内部，那么这将是这些谜团的部分答案。

另一个与日冕加热有关的问题是，太阳外层大气的温度为什么是其表面温度的300倍之谜。令人惊讶的是，模拟实验结果显示，日冕雨只有在磁场环最底部被加热时才会形成。Mason解释道：“如果一个磁场环上发生了日冕雨，那就意味着其最底部的10%或更少的部分发生了日冕加热效应。”下日冕雨的磁场环为界定日冕加热位置的截止点，提供了一个测量标杆。

Mason拥有最适合这项研究工作的观测数据，即美国航空航天局（NASA）太阳动力学观测站（Solar Dynamics Observatory，简称SDO）拍摄的照片。然而，在搜寻工作进行了将近半年之后，她仍然没能在盔状冕流中发现一滴雨，但是，她却注意到了许多她并不熟悉的微型磁场结构。这些结构有别于盔状冕流的特征，但是最为引人注目的是它们的规模。该论文的共同作者之一、NASA戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center）的太阳物理学家Spiro Antiochos介绍道：“这些磁场环比我们期待寻找的要小得多，所以这说明日冕加热机制的规模比我们所想象的要局限得多。”Mason指出，虽然这些发现并没有确切说明日冕是如何被加热的，但它们确实有效地降低了日冕加热所可能发生的位置。她发现日冕雨环只有约3万英里高，只相当于她最初寻找的某些盔状冕流高度的2%，并且日冕雨让主要日冕加热效应所发生的区域的密度升高了。

不过，在盔状冕流中找寻日冕雨的搜索与研究仍在继续，并且模拟实验的结果很清楚：那里应该会存在日冕雨。

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编译：朱明逸 

审稿：alone  

责编：唐林芳 

期刊来源： 《天体物理学杂志快报》

期刊编号： 2041-8205

原文链接： 

https://phys.org/news/2019-04-unexpected-sun-links-solar-mysteries.html

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