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谁把太阳大气的温度加热到了上百万度?

 2014/10/18 10:39:59    程序员俱乐部  我要评论(0)
  • 摘要:太阳的高层大气温度高达上百万度,远远超出太阳表面区区几千度的温度。图片来源:NASA为什么太阳最外侧的大气层(即日冕)温度可以高达上百万摄氏度,要比太阳的表面炽热这么多呢?这个问题已经困扰了天文学家好几十年。今天,由美国哈佛-史密松天体物理中心(CfA)的保拉·特斯塔(PaolaTesta)领导的一个团队,提出了破解日冕加热难题的新线索。他们利用最近发射升空的IRIS卫星所作的观测,发现了被称为“纳米耀斑”(nanoflares)的微型太阳耀斑&mdash
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太阳的高层大气温度高达上百万度,远远超出太阳表面区区几千度的温度。图片来源:NASA

  为什么太阳最外侧的大气层(即日冕)温度可以高达上百万摄氏度,要比太阳的表面炽热这么多呢?这个问题已经困扰了天文学家好几十年。今天,由美国哈佛-史密松天体物理中心(CfA)的保拉·特斯塔(Paola Testa)领导的一个团队,提出了破解日冕加热难题的新线索。他们利用最近发射升空的 IRIS 卫星所作的观测,发现了被称为“纳米耀斑”(nanoflares)的微型太阳耀斑——它们产生的高速电子可能提供了一部分热源,至少在太阳日冕最炽热的某些区域内确实如此。

  太阳耀斑是日面某一区域所有波段的光全都突然增强的现象。在耀斑发生时,太阳上的等离子体会在几秒到几分钟内,被加热到上千万摄氏度。耀斑还会加速太阳等离子体中的电子(以及质子),把它们的速度提高到几近光速。这些高能电子与地球相遇时会产生重大影响,导致壮观的极光,还会破坏通讯,干扰 GPS 信号,损坏电网。

  小规模的纳米耀斑,虽然能量级别要比常规太阳耀斑低大约 10 亿倍,却也能够产生这些高速电子。特斯塔说,“这些纳米耀斑,以及那些可能由它们产生的高能粒子,很难加以研究,因为我们无法直接观测到它们。”

  特斯塔及其同事发现,通过观察冕环在日面上的立足点,IRIS 提供了一种新的方法,来观测踪迹难寻的纳米耀斑。冕环,顾名思义,就是日冕中由炽热等离子体构成的环圈,它们从太阳表面向外延伸到日冕之中,在紫外和X射线波段发出明亮的光芒。

  IRIS 并不观测这些冕环中最热的等离子体,后者的温度可以高达数百万摄氏度。相反,它观测的是冕环立足之处温度较低的等离子体(大约 1 万到 10 万摄氏度)发出的紫外辐射。就连 IRIS 也没能直接观测到日冕加热事件,它只观测到了冕环立足之处短暂而又小规模的增亮现象,从而揭露出了日冕加热事件的蛛丝马迹。

  利用 IRIS 对这些立足点增亮现象所作的高分辨率紫外成像及光谱观测,研究团队推断出了高能电子的存在。利用计算机模型,他们模拟了冕环中的等子体对高能电子携带的能量会作何反应。模拟显示,以 20% 光速运动的电子最有可能把能量传递给这些等离子体。

  IRIS 较高的空间、时间和光谱分辨率,对这一发现至关重要。IRIS 能够分辨太阳上小到仅有 240 千米的特征,能够分辨持续仅几秒钟的事件,光谱分辨率则让科学家能够测量每秒移动几千米的等离子体流。

  发现与大型耀斑无关的高能电子,这一事实表明,日冕至少有一部分是由纳米耀斑加热的。新的观测,再加上计算机模拟,还帮助天文学家了解了电子如何被加速到这样的量级——这个过程在大量天体物理现象中都起着重要作用,比如宇宙线,再比如超新星遗迹。这些发现还暗示,纳米耀斑虽然能量要比大型太阳耀斑低大约 10 亿倍,但仍然是一种强有力的天然粒子加速器。

  特斯塔说,“就像通常的科学发现一样,这一研究也提出了一系列全新的问题。例如,这些纳米耀斑发生的频率是多少?在没有耀斑爆发的日冕中,高能粒子有多常见?这些纳米耀斑和大型耀斑的物理机制又有什么不同?”

  描述这一发现的论文,10 月 17 日发表在《科学》(Science)杂志专注于 IRIS 发现的特刊上。(编辑:Steed)

  编辑来源 CfA 官网,Tiny "Nanoflares" Might Heat the Sun's Corona

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