科学家数次拍到17500华式度等离子体雨降落日表 有助揭示太阳谜团

科学家对此前忽视的日表小型环形磁结构（如图）进行了分析，结果发现磁环中的等离子体以“雨”的形式降落日表

人们总说，不要盯着太阳看。美国天主教大学物理学家艾米丽·梅森却用了整整5个月，每天都在研究太阳表面的照片。最终，梅森和她的同事锁定了超热气体冷却并以“雨”的形式降落日表的区域。这一发现将太阳的两个最大谜团联系在一起，即导致太阳外层大气层温度达到日表300倍的加热机制，以及更缓慢更致密太阳风的源头。研究论文刊登在《天体物理学杂志快报》上。

太阳是一个由等离子体（超热带电气体）构成的大火球。等离子体会沿着磁场线形成一个弧形，喷出日表后在太空中形成巨大的火环。“太阳也会下雨，虽然听起来有些可笑，但这种我们熟悉的天气现象与太阳表面的一些过程极为相似。

太阳动力学观测卫星拍到的“日冕雨”。此前，科学家曾在太阳爆发后观测到这种现象，当时与耀斑有关的加热过程突然中断，导致等离子体冷却并坠落日表

在地球上，雨是水循环的一个关键组成部分。地球表面的液态水（河流、湖泊和海洋）因阳光的热量蒸发。进入大气层后，蒸汽冷凝成云，最后又以雨的形式降落地面。在太阳上，日冕雨遵循着类似的机制。梅森表示：“不过，你面对的并不是只有60华氏度（约合15.5摄氏度）的雨水，而是温度超过100万华氏度（约合55.5万摄氏度）的等离子体。”

这些等离子体沿着从日表向外延伸的磁环移动。在每个环的末端，等离子体的温度在数千到上百万摄氏度之间。加热的等离子体在环内的位置不断攀升，直至达到顶点，即距离热源的最远点。随后，等离子体冷凝，以日冕雨的形式坠落日表。

日冕，环绕太阳周围的等离子体光环

此前，科学家曾在太阳爆发后观测到这种现象，当时与耀斑有关的加热过程突然中断，导致等离子体冷却并坠落日表。根据电脑模拟和以往的太阳风观测数据，梅森认为能够在所谓的“盔状流”中发现日冕雨。盔状流是日食过程中从太阳喷出的数百万英里高的磁环，因外形酷似骑士的头盔而得名。

上世纪90年代中期以来，科学家便知道盔状流是慢太阳风的一个源头。慢太阳风相对于快太阳风而言，是逃离太阳的相对安静且致密的气流。对慢太阳风中的气流进行的测量显示，在冷却并逃离太阳前，它们一度被加热到极高的温度。由于日冕雨经历类似的加热和冷却过程，这种雨可能在盔状流中扮演角色，导致慢太阳风的形成。

日冕和太阳风示意图

模拟结果显示日冕雨只能在热量作用于母磁环最底部时才能形成，确定“下雨”的磁环尺寸能够为科学家提供一个测量杆，帮助锁定日表上方的哪些区域为日冕提供热量。鉴于此，科学家一直在盔状流中寻找日冕雨。

梅森对太阳动力学观测卫星拍摄的照片进行了分析。这颗卫星于2010年发射升空，每隔12秒对太阳进行一次成像。她用了近半年时间在盔状流中寻找日冕雨，但始终一无所获。她说：“我可能已经梳理了3年或者5年的观测数据。整个过程就像在寻找某种从未出现的东西。”

1994年在南美洲拍摄的日食

不过，梅森并没有选择放弃，继续在其它磁结构中寻找日冕雨，即高度只有3万英里（约合4.8万公里）的微型磁环，尺寸只有盔状流的九牛一毛。梅森说：“它们非常明亮，吸引了我的目光。经过分析，我发现这些磁结构一次就上演长达几十个小时的日冕雨。”

然而，起初这些发现并未引起她的重视，因为她的目标是在盔状流中找到日冕雨。庆幸的是，同事们意识到梅森得出了非常新奇的发现。研究论文合著者、太阳物理学家尼古拉·瓦利表示：“她在小组会议时说‘我没在盔状流中发现日冕雨。虽然在其它结构中发现日冕雨，但它们并不是盔状流’。我对她说‘等等，你在哪发现它们？我觉得没人有过相同的发现’。”

太阳动力学观测卫星艺术概念图

在较小的磁环中发现日冕雨有助于科学家锁定哪些区域为日冕加热。梅森表示：“我们至今不知道日冕的加热机制，但我们知道加热过程一定在这个层发生。”相关研究发现也迫使科学家重新审视此前的理论。科学家一度认为日冕雨只在闭合的磁环内形成。在这种磁环，超热等离子体能够在环的远端聚集并冷却，不会发生逃逸。

在对小磁环进行研究后，梅森发现开放式磁场线也能形成日冕雨。这种磁场线只有一端与太阳相连，另一端延伸到太空，为太阳风“供料”。研究人员指出等离子体始终从闭合磁环开始它们的旅程，但可以通过所谓的磁重联过程切换到开放式磁环。

艺术概念图，帕克探测器与太阳亲密接触

太阳频繁出现磁重联现象。当闭合式磁环遭遇开放式磁场线，便会改变磁场的“布线”，导致磁重联。与火车变轨一样，超热等离子体也会切换到开放式磁环，某些等离子体冷却，最终以日冕雨的形式坠落日表，其它等离子体则成功逃逸。科学家认为这是部分慢太阳风的喷射方式。

梅森致力于创建电脑模拟，为这种新解释提供支持。2018年发射的帕克太阳探测器将为科学家提供进一步证据。这颗探测器能够穿过慢太阳风并追溯它的源头。梅森发现的日冕雨可能就是源头之一。尽管梅森并未在盔状流中发现日冕雨，但这项研究仍将继续。根据相关模拟，两种日冕雨都能被科学家发现。研究论文作者、戈达德太空飞行中心的太阳物理学家斯皮罗·安迪奥霍斯指出：“难道是它们的规摸太小，以至我们没能发现？我们真的不知道。”

左为STEREO探测器获取的太阳风图像，右为电脑处理后的图像

太阳风如何形成？

太阳风是太阳喷射的等离子体流。太阳及其大气层由等离子体构成。等离子体是带正电粒子和带负电粒子的混合体，两种粒子在极端高温下分离并且都沿着磁场线移动。日冕的物质喷入太空，让整个太阳系充斥着太阳风。科学家发现随着等离子体进一步远离太阳，太阳开始失去磁控制，形成定义外冕的分界线。

等离子体流的分解与水流从水枪喷出的过程类似。水是一种光滑统一的流体，但最终会分解成水滴，水滴随后又分解成水沫。美国宇航局最近进行的一项研究捕获了处于相同阶段的等离子体，类似水流逐渐分解成水滴的过程。如果太阳风中的带电粒子撞击地球磁场，将干扰卫星和通讯设备。