原標題：日冕磁場 太陽大氣中的隱秘力量

來源：光明日報

原標題：日冕磁場 太陽大氣中的隱秘力量

來源：光明日報

日冕是太陽大氣的重要組成部分，那些對地球空間環境有重大影響的太陽爆發事件，大多起源于日冕中。在它們背后，隱藏著一種神秘力量——日冕磁場，一直以來，人們對其了解甚少。近年來，隨著太陽觀測和測量技術的進步，我們得以一窺日冕磁場的奧秘。

我們為何要研究日冕磁場

太陽，是我們最熟悉的恒星，也是太陽系的能量之源。這個巨大的火球有非常復雜的結構：其內部主要由日核、輻射區和對流區組成；外部的太陽大氣從低到高可以大致區分出光球層、色球層、過渡區以及最外層的日冕。日核是太陽的能量源，在那里，核聚變反應將氫轉變為氦，釋放出源源不斷的巨大能量。輻射區在日核之外，能量在這里通過輻射的方式向外傳遞。到了對流區，能量以對流的方式傳遞，熱等離子體在此不斷上升、冷卻、下沉，形成各種流動。

太陽內部的物質運動與太陽自轉一起，產生了強大的太陽磁場。太陽磁場從內部一直延伸到外層大氣，并在太陽大氣中交織纏繞，形成復雜的磁場結構，帶來各種不同的太陽大氣現象。比如太陽表面如黑斑一樣的太陽黑子，在太陽大氣中常發生的耀斑和日冕物質拋射等劇烈的太陽爆發現象，都離不開磁場的支配。

在日全食期間，我們有機會見到太陽大氣中最外層的光暈，這就是神秘的日冕。日冕的溫度高達百萬攝氏度，比太陽表面要高許多倍，它極為稀薄，卻又充滿了復雜的磁場。日冕中的磁場儲存了大量能量，當這些能量突然釋放時，會形成壯觀的太陽爆發現象。這些爆發在給地球高緯度地區帶來美麗極光的同時，也可能影響到地球上的高科技活動，如衛星導航和通信系統。

理解太陽大氣中各種活動的產生過程，預測太陽爆發并減少它們對人類活動的影響，離不開對日冕磁場的研究。日冕物質拋射屬于劇烈的爆發事件——大規模的太陽等離子體從日冕被拋射到太空中，到達地球時可能會擾動地球磁場，影響衛星和電網等系統。包括日冕物質拋射在內的諸多太陽大氣中的活動，通常發生在日冕中，其能量來源于日冕磁場。它們是如何產生的？如何預報它們……回答這些問題，離不開對日冕磁場的研究。通過觀測和研究日冕磁場的結構與變化，科學家可以更好地揭示這些活動背后的機制。而掌握日冕磁場的演化規律，則有助于提升空間天氣預報的準確性，為人類高技術系統提供更多安全保障。

測量日冕磁場的幾種方法

人類首次測量其他天體的磁場，還要追溯到100多年前。1908年，太陽物理學家喬治·海爾在研究太陽黑子時首次發現了太陽磁場的存在。當時，海爾利用的是一種被稱為“塞曼效應”的物理現象：就像雨后太陽光被水滴分成五顏六色的彩虹，利用分光儀器，我們可以將光分出不同的譜線。在有磁場存在時，光的譜線會發生分裂，變成若干條線，譜線之間分裂的間距和磁場強度相關。海爾在觀察太陽黑子時注意到這一效應，并由此獲得黑子中的磁場，從此改變了人類對包括太陽在內的各類天體磁場的研究進程。100多年間，人們已經能夠利用塞曼效應對太陽大氣的最底層，也就是光球層的磁場進行常態化測量。可以說，我們對太陽光球磁場的認知已經比較成熟。

然而，太陽磁場是一個整體，各個層次之間的磁場并不是獨立無關的。盡管我們已經能夠常態化地測量光球層的磁場，但光球上方的太陽大氣磁場，特別是日冕磁場，仍然充滿未知。這主要是因為日冕磁場相比于下方的光球磁場要弱很多，因此，塞曼效應產生的信號也會很弱，難以捕捉。這就對觀測設備的靈敏度提出了極高要求。好在近20年間，隨著探測技術和研究手段的進步，科學家開始嘗試通過更多新的方式進行日冕磁場的測量。

最傳統的測量日冕磁場的方法仍然基于塞曼效應展開。但正如前文提到的那樣，日冕中的信號非常弱，難以捕捉。平時拍照時，在弱光情況下，我們或者需要用更先進的相機來拍攝，或者需要通過增加曝光時間來捕捉這些暗光環境下的場景。對于日冕觀測，通常也是采取這兩種方式。2000年，夏威夷大學的科學家用一臺比較小的望遠鏡，對日冕中的一片區域進行了長達70分鐘的曝光，成功捕捉到日冕中微弱的塞曼效應信號，并獲得其中的磁場信息。受限于望遠鏡的大小和它的視野范圍，當時用這種方法只能偶爾得到某一個小區域的日冕磁場信息，并且需要很長的觀測時間。在這之后20年間，人們幾乎沒有用這一方式再次測量到日冕磁場。

近年來，科學家研制了更先進的望遠鏡，如丹尼爾·井上太陽望遠鏡。這是一臺位于夏威夷的太陽望遠鏡，也是目前世界上最大的太陽望遠鏡。一般來說，望遠鏡越大，能看到的結構越精細，捕捉更弱信號的能力越強。利用丹尼爾·井上望遠鏡，無需很長的觀測時間，科學家們就能夠捕捉到日冕中細微的塞曼效應信號，并且成功測量到日冕中小范圍的磁場分布圖。

除此之外，人們也發展了其他一些研究手段，其中包括射電觀測。太陽上無時無刻不在發出射電信號，也就是各種無線電波。就像用收音機收聽信號一樣，利用射電望遠鏡，我們可以對來自太陽的射電信號進行接收和分析。日冕中產生的射電信號，其性質離不開磁場的作用——不同的磁場環境下產生射電信號的機制不同，產生的射電信號也不同。分析接收到的射電信號，能夠判斷出這些信號如何產生、在哪里產生，并且推斷出產生區域具有怎樣的物理性質，其中就包括它們的磁場性質。這就是利用射電觀測來測量日冕磁場的基本原理。借助地面射電望遠鏡陣列觀測，科學家能夠對太陽上部分區域（比如耀斑發生的區域）進行較為準確的日冕磁場診斷，從而監測這些區域的磁場變化。

揭開日冕磁場的神秘面紗

“冕震方法”是近20年來常用的一種日冕磁場測量手段。從名字上看，它和地震學的研究方法有類似之處——通過分析地震發生時的地震波信號，我們能夠探知地球內部的結構和性質；冕震方法則是利用發生在日冕中的波動或者震蕩的信號來分析日冕的物理特性。

這種方法依賴于日冕中的波動觀測，但這些波動現象并非始終存在，往往只在一些爆發現象時被激發。因此，利用這種方法只能偶爾得到日冕磁場信息。同時，這些信息只是日冕中某一個點或者某一條線上的磁場信息。

對于太陽物理研究而言，我們急需的技術，是像光球磁場測量那樣，能夠常態化獲得日冕大范圍、全局性的磁場信息。顯然，無論是現有的利用塞曼效應的方法，還是借助射電觀測，又或者是基于過去的冕震方法，都無法實現這個目標。

2020年，北京大學和美國國家大氣研究中心領銜的合作研究團隊，發展了一種新的二維冕震方法。相比于以往的冕震方法，這一方法利用日冕中廣泛存在的波動，在二維平面上分析波動性質，獲取日冕磁場信息。

我們將這種方法應用于日冕多通道偏振儀的觀測數據。日冕多通道偏振儀是一臺能夠對日冕進行全局性觀測的儀器，類似于日全食期間，我們將太陽的極亮盤面遮住，只觀察周圍相對暗淡得多的日冕。日冕多通道偏振儀的獨特性，讓研究團隊獲得了日冕磁場的全局性二維分布，也就是整個平面上的分布。相比于以往的研究結果，這大大增加了我們所能獲取的信息范圍。這一成果發表在國際學術期刊《科學》上。

近期，北京大學太陽物理研究團隊繼續領銜開展國際合作，利用升級版日冕多通道偏振儀首次實現了對日冕磁場的長期連續觀測。就像照相機的升級換代一樣，相比于過去，升級版日冕多通道偏振儀具有觀測更精細結構和捕捉更弱信號的能力。研究團隊在為期8個月的持續觀測中，利用二維冕震方法，繪制了114幅日冕磁場分布圖，展示日冕磁場隨太陽自轉的動態變化。這一常態化日冕磁場測量，為揭示日冕磁場演化過程提供了寶貴數據。通過優化的二維冕震方法，團隊得以觀測到更廣闊范圍內的日冕磁場動態信息。這些數據首次為人們清晰展示了日冕磁場在幾個月時間內如何持續演化，就像為日冕拍攝一部延時攝影的紀錄片。這一重要成果發表在國際學術期刊《科學》上，成為日冕磁場研究的又一重要突破。

隨著科學觀測手段的進步，人類對日冕磁場的認識不斷加深。從塞曼效應到冕震技術，從光學觀測到射電觀測，科技進步讓人類逐漸揭開日冕磁場的神秘面紗。從幾乎無法觀測到逐步實現常態化測量，太陽物理研究將因日冕磁場測量的進展而逐步邁入新階段。我們正在往實現常態化的太陽大氣整體磁場測量的目標邁進，這不僅有助于科學家深入理解太陽活動的產生機制，還將提升人類應對空間天氣的能力。

目前，全球多個新一代太陽望遠鏡項目正在推進，未來科學家將有能力獲取更加詳盡的日冕三維磁場數據。例如，中國剛剛建成的“子午工程二期”光譜成像日冕儀，能夠進行類似升級版日冕多通道偏振儀的觀測，有望彼此形成互補，實現在不同時區接續觀測日冕磁場。

未來，我們希望能夠實現對日冕磁場精細結構及其快速演化的高清觀測。這將推動我們對太陽爆發的精準預報，從而保障航天、導航等高技術活動的安全。

（作者：楊子浩 田 暉，分別系北京大學地球與空間科學學院博士研究生、教授）

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