美国宇航局任务绘制太阳磁场史无前例的地图

在日全食期间，当一个明亮的红色光环绕月球的轮廓。

色圈，拍摄于1999年日全食期间。红色和粉红色的色调——氢气发出的光——从希腊的“chréma”意思是颜色中赢得了色圈的名字。

一百多年后，色圈仍然是太阳大气层中最神秘的。色圈夹在明亮的表面和空灵的太阳日冕之间，太阳的外层大气，是一个快速变化的地方，温度上升，磁场开始主宰太阳的行为。

现在，美国宇航局的三方任务首次进入色圈，以返回对其磁场的多高度测量。由两颗卫星和一枚小型亚轨道火箭上的色球层光谱仪2号（CLASP2任务）捕获的观测结果有助于揭示太阳表面的磁场是如何导致其外层大气层的精彩喷发的。这篇论文今天发表在《科学进展》杂志上。

日光物理学的一个主要目标——科学太阳对空间的影响，包括行星大气层——是预测空间天气，这种天气通常从太阳开始，但可以迅速通过太空传播，在地球附近造成破坏。

推动这些太阳爆发的是太阳的磁场，这种看不见的力量线从太阳表面延伸到地球的太空。这种磁场是很难看到的——它只能通过等离子体的光或超热气体间接观测到，这种光像汽车大灯一样在遥远的高速公路上行驶。然而，这些磁线如何排列自己——无论是松弛、直线还是紧绷和纠结——使得安静的太阳和太阳爆发之间有着巨大的区别。

“太阳既美丽又神秘，其磁场不断触发活动，”日本东京国家天文台的太阳物理学家石川瑞子（Ryohko Ishikawa）说。

理想情况下，研究人员可以读出发生太阳爆发的日冕中的磁场线，但等离子体太稀疏，无法准确读取。（日冕的密度远远低于海平面上空气的十亿倍。

相反，科学家测量了更密集的光圈——太阳的可见表面——下面两层。然后，他们使用数学模型将该场向上传播到日冕中。相反，这种方法跳过了测量位于两者之间的色圈，而是希望模拟其行为。

色圈位于太阳光圈或发出可见光的明亮表面与太阳爆发源头的超热日冕或太阳外层大气之间。色圈是这两个区域之间的关键链路，也是决定太阳磁结构的缺失变量。

学分：学分：美国宇航局戈达德航天飞行中心

不幸的是，色圈原来是一个通配符，磁场线以难以预料的方式重新排列。模型很难捕捉到这种复杂性。

“色圈是一个炎热的，炎热的烂摊子，”劳雷尔·拉赫梅勒说，前美国宇航局CLASP2项目科学家，现在在国家海洋和大气管理局，或NOAA。“我们简化了光圈中的物理假设，并在日冕中单独进行了假设。但在色圈中，大多数这些假设都被分解了。

美国、日本、西班牙和法国的机构合作开发了一种新方法来测量色圈的磁场，尽管它很混乱。他们修改了2015年飞行的仪器，在探测火箭上安装了太阳观测台，因此以航海术语”声音"来命名。探测火箭发射到太空进行短暂、几分钟的观测，然后返回地球。与大型卫星任务相比，它们更经济实惠、更快捷地建造和飞行，也是测试新想法和创新技术的理想舞台。

测量磁场

为了测量磁场强度，该团队利用了具有百年历史的技术Zeeman效应。（ 1908 年天文学家乔治·埃勒里·黑尔首次将齐曼效应应用于太阳，就是我们如何了解到太有磁性。Zeeman 效应是指光谱线在强磁场存在的情况下分裂成倍数的事实。它们分裂得越远，磁场就越强。

齐曼效应。这张动画图像显示了一个具有多个吸收线的光谱——当原子在特定温度下吸收特定波长的光时产生的光谱线。引入磁场时（此处显示为来自条形磁体的蓝色磁场线），吸收线分裂成两条或两条以上。分裂的数量和它们之间的距离揭示了磁场的强度。请注意，并非所有的光谱线都以这种方式分裂，CLASP2 实验测量了紫外线范围内的光谱线，而此演示显示可见范围内的光谱线。

学分：美国宇航局戈达德航天飞行中心/斯科特·魏辛格

然而，混乱的色圈往往会“抹黑”光谱线，因此很难判断它们相距有多远——这就是为什么以前的任务难以测量它的原因。CLASP2的新奇之处在于通过测量“圆形极化”来解决这一限制，这是作为Zeeman效应的一部分而发生的光方向的微妙变化。通过仔细测量圆形极化的程度，CLASP2团队可以分辨出这些涂抹的线条必须分裂多远，从而分辨出磁场的强度。

火箭从新墨西哥州的白沙导弹靶场发射升空，射向170英里（274公里）的高度，从地球大气层上方看到太阳，否则会阻挡某些波长的光。他们把目光投向了太阳上一个“活动区域”的边缘，那里的磁场强度很强，非常适合他们的传感器。

当CLASP2凝视太阳时，美国宇航局的界面区域成像光谱仪或IRIS和JAXA/NASA Hinode卫星都从地球轨道观察太阳，调整了望远镜以观察同一位置。在协调下，三个任务集中在太阳的同一部分，但凝视着不同的深度。

Hinode 专注于光圈，寻找在那里形成的中性铁的光谱线。CLASP2瞄准了色圈内的三个不同高度，锁定了电离镁和锰的光谱线。同时，IRIS 以更高的分辨率测量镁线，以校准 CLASP2 数据。特派团一起监测了色圈内和周围四个不同的层。

最终的结果是：色圈磁场的第一张多高图。

美国宇航局位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔航天飞行中心CLASP2首席研究员大卫·麦肯齐说：“当Ryohko第一次向我展示这些结果时，我就是不能呆在座位上。”我知道这听起来很深奥——但你刚刚同时展示了四个高度的磁场。没有人这样做！

数据最引人注目的方面是色圈的多样性。沿着他们研究的太阳部分，在太阳内部的不同高度，磁场变化很大。

“在太阳表面，我们看到磁场在短距离变化：更高的这些变化是更多的抹黑了。在一些地方，磁场没有达到我们测量的最高点，而在其他地方，磁场仍然处于全强度。

研究小组希望利用这项技术进行多高度磁测量，绘制整个色圈磁场的地图。这不仅有助于我们预测太空天气的能力，还将告诉我们有关恒星周围大气层的关键信息。

”我是一名日冕物理学家——我对那里的磁场非常感兴趣，“拉赫梅勒说。”能够将测量边界提升到色层的顶端，将有助于我们了解更多，帮助我们预测更多——这将是太阳物理学向前迈出的一大步。

他们不久将有机会向前迈出这一步：美国宇航局刚刚为这次任务的重新飞行开了绿灯。虽然发射日期尚未确定，但研究小组计划使用同一仪器，但采用新技术测量更广阔的太阳区域。

McKenzie 说："我们不仅要测量非常狭窄的带状磁场，还要扫描目标，绘制二维地图。