五千年华夏文明一直对天文科学进行着不懈探索,《易经》《汉书》等中国古籍保存着关于太阳中存在的黑子世界最早、最系统的记载。如今,随着哈工大(深圳)空间科学与应用技术研究院教授冯学尚与副教授袁丁面向“太阳日冕加热问题”,利用全球最大口径的太阳望远镜和高性能计算机模拟手段,提出了太阳等离子体加热的革新性物理机制,中国人对太阳的研究又更进一步。

发表杂志《自然·天文学》(Nature Astronomy)内页截图

5月25日,该成果以“Transverse Oscillations and Energy Source in a Strongly Magnetized Sunspot”《强磁化太阳黑子中的横模振荡与能量源》为题发表在《自然·天文学》上,哈工大(深圳)副教授袁丁为第一兼通讯作者,硕士研究生付立博为第二作者,教授冯学尚和博士后Blazej Kuzma为合作作者。记者了解到,这项研究集合了欧洲、美国等多国科学家、科研机构的共同努力。哈工大(深圳)空间科学与应用技术研究院冯学尚教授与袁丁副教授作为课题发起者,承担了“总设计师”的工作,助人类理解太阳再上台阶。

“日冕加热问题”意义重大

“中国探月工程”已成功从月球带回了月壤。月亮越来越“近”,那么太阳呢?哈工大(深圳)空间科学与应用技术研究院副教授袁丁告诉记者,目前人类对太阳的研究仍停留在“初级阶段”。“现阶段,我们研究太阳主要服务航空宇航、通讯导航等领域。随着数字经济的发展,人类在太空中的资产越来越多,如空间卫星、空间站、月球(火星)基地,与之相随的是庞大的数字经济产业链。而太阳的活动直接威胁着人类的太空资产。太阳风暴来袭,电力网络或通讯系统受损,我们将面临没有电力、通信、互联网和社交媒体的生活。”

太阳黑子中本影纤维在强磁区域横向震荡,携带巨大的能量

太阳是一个由氢组成的气体球,其能量均来自于太阳内部的核聚变反应——能量由内向外传输,从太阳内核到太阳表面(光球层),温度从1600多万摄氏度降低到5000多摄氏度。日冕处于光球层之外,距离内核的热源更远,其温度应该更低。但日冕的实际温度却高达数百万摄氏度,比光球层高出1000-10000倍,这就是困扰物理学界百年的难题——太阳日冕加热问题。太阳日冕加热问题是太阳研究领域的“显学”,在2012年被SCIENCE《科学》杂志选为当代天文学的八大未解之谜之一。

哈工大(深圳)空间科学与应用技术研究院副教授袁丁

袁丁本科在哈工大学习光信息科学与技术,在瑞典皇家理工大学取得核能工程硕士,此后又在英国华威大学获得物理学哲学博士。复合、跨学科的学习经历,为他后来研究太阳物理打下了扎实基础。2017年,完成学业后,袁丁来到哈工大(深圳)空间科学与应用技术研究工作。“这是一个诺奖级别的科研主题。” 袁丁说,他长期关注日冕加热问题:日冕为什么那么热?弄清日冕加热的原理,将推进“人造太阳”相关科研,人类用上安全、清洁、高效、可持续的“人造太阳”能源或将不再是梦想。科幻小说《三体》描述的未来世界里,人类造出了可控核聚变装置——反应炉中燃起的“微型太阳”,消耗少量的燃料就能释放出巨大的热量用于发电,这种装置被称为“人造太阳”。

古德太阳望远镜成“神助攻”

关于日冕加热问题,科学界有过众多假设、推想以及研究。冯学尚与袁丁在前人的基础上又进一步。2018年,袁丁赴美国加州大熊湖天文台开展天文观测,在那里找到了破解谜题的“神助攻”——古德太阳望远镜。古德太阳望远镜口径为1.6米,是目前世界上正在运营的最大口径的太阳望远镜,其得天独厚的观测台址和强大的观测仪器设备,为攻克该项极具挑战的研究课题提供了可能。袁丁利用古德太阳望远镜的高时空分辨率观测资料,发现太阳黑子的强磁场中存在周期性横向运动,即横模磁流体波。

美国大熊湖天文台口径1.6米古德太阳望远镜是世界上口径最大的现役太阳望远镜

袁丁解释说,太阳黑子是太阳表面温度最低的结构,温度约为4000摄氏度,其上方对应的太阳活动区却是太阳日冕温度最高的区域,约为200万至2000万摄氏度,这样由太阳黑子和活动区组成的磁场和高温等离子体耦合结构对太阳等离子体加热的条件更加苛刻,这些特征引起了研究团队的注意。2018年袁丁在美国加州大熊湖天文台进行天文观测时,恰逢太阳黑子活跃周期,他发现太阳黑子里的本影纤维横向摆动,由此产生出巨大能量。“观测时机很重要。”袁丁说。机会总是偏爱有准备的头脑。观测、查阅数据、提出假想并联合国际团队共同研究,最终根据数学建模,计算出太阳黑子的强磁区域(约4000高斯)所需驱动力高出太阳其它区域的100至1000倍,此类运动所携带的能量流约为7500000瓦每平方米,只要千分之一或者万分之一的能量即可足太阳日冕加热所需能量流,符合太阳等离子体加热的要求。

“太阳黑子强磁区域的横向运动相当于城市中高楼大厦都在横向摆动,此类运动携带了巨大的能量流,只有强烈的地震可以驱动此类运动。据此可以想象,太阳黑子强磁场的横向运动携带着很高的能量。据团队估算,该能量流相当于7500部空调全功率炙烤1平方米的面积。”袁丁说。

研究成果引发热议

谈及研究的意义,袁丁称该研究最大的突破是首次探测到比日冕加热所需能量流强上万倍的全新能量源,并利用超级计算机模拟重现了该能量源的等离子体加热效应,开创了日冕加热的革新性领域。该研究具备解决日冕加热问题这一百年物理学难题的潜力,有望成为下一代4-8米口径太阳望远镜等大型国际科研设备的重点科学目标。 据了解,论文发表之后,引起了科学界和公众密切关注。Nature杂志社邀请意大利宇航局著名科学家Marco Stangalini针对此研究撰写评述,评价此研究对于日冕加热理论的突破性贡献和对于大型地面太阳望远镜建设的指导意义。《国家地理》等十几家国际著名媒体和科学杂志报道了此项研究。

电视剧《三体》剧照

该研究探测到比日冕加热所需能量流还强的全新能量源,这不禁诱发联想——《三体》中的“人造太阳”会否因此更加接近现实?袁丁表示,该成果的确有助于推动“人造太阳”的等离子体加热技术研发。等离子体加热是解释太阳风来源的重要步骤,而太阳风为星际旅行提供了重要的燃料。“当然,无论是‘人造太阳’还是‘星际旅行’,都不太可能在短期内变为现实,但该项研究成果为后续的研究奠定了非常重要的基础。”袁丁表示,该成果将相关科研的“进度条”往前推动了一步。袁丁同时透露,该团队将会继续聚焦日冕加热领域的科研。“下一步,团队研究的焦点是太阳黑子的全新能量源是否普遍存在。再往前的目标则是将该理论应用到恒星黑子,利用先进的数学建模和天文设备探索恒星黑子的等离子体加热机制。”

该项目由冯学尚与袁丁领衔的国际团队共同完成,研究得到了全球专家学者的支持:硕士研究生付立博和Blazej Kuzma博士后分别参与了天文数据分析和双流体磁流体数值模拟工作;哈工大(深圳)空间科学与应用技术研究院负责天文实验设计和天文数据分析工作;新泽西理工大学(大熊湖天文台)承担古德太阳望远镜的天文观测和数据校准工作;西班牙加纳利天文物理研究所承担斯托克斯光学反演和建模工作;波兰居里夫人大学物理学院负责双流体磁流体数值模拟工作;比利时鲁汶大学数学系负责数学建模工作;印度理工学院团队参与了天文实验设计和论文写作相关工作;昆明理工大学信息工程与自动化学院、深圳信息职业技术学院、国家天文台参与了天文数据分析等相关工作。【哈工大(深圳)空间科学与应用技术研究院】