下一个太阳极盛期能否解开太阳伽马射线图像之谜？

太阳在可见光下闪闪发光，但在电磁辐射的最高能量下又是什么样子呢？太阳在伽马射线下的景象是一幅致命的景象，幸好被地球大气层遮住了，只能从太空中看到。每个光子所携带的能量是紫外线的十亿倍。太阳常规伽马射线的发射是如何随时间变化的？是否有可能将其与我们在恒星表面目睹的暴力事件时期联系起来？

太阳在 2013 年 10 月至 2015 年 1 月期间发射的伽马射线彩色密度图，每光子能量介于 5 和 150 千兆电子伏特之间，由 NASA 的费米-LAT 望远镜记录。它叠加在美国宇航局太阳动力学天文台于 2014 年 12 月获得的太阳紫外线假彩色图像上。资料来源：Arsioli and Orlando 2024 & NASA/SDO/Duberstein

在上一次太阳极大期，太阳两极地区的高能辐射最为活跃，这一现象至今仍无法解释。葡萄牙里斯本大学（Ciências ULisboa）科学学院的一位研究人员率先进行的一项研究报告了这一发现。

发表在《天体物理学杂志》上的一项新研究制作了一部用伽马射线观测太阳十四年的压缩影片，这一可视化工具显示，与这些高能光子的预期均匀分布相反，太阳圆盘在极地地区会变得更亮。在太阳活动高峰期，太阳在伽马射线中的光辉在最高纬度地区占主导地位的趋势非常明显，2014年6月的情况就是如此。

了解伽马射线发射

这项研究由葡萄牙天体物理学和空间科学研究所（IA）的布鲁诺-阿西奥利（Bruno Arsioli）和里斯本大学科学学院（Ciências ULisboa）领导，它可能有助于人们了解使太阳发出比物理学家预期亮十倍的伽马射线的未知过程。它还可以为空间天气预报提供信息。

太阳伽马射线产生于我们恒星的光环和太阳耀斑中，也从恒星表面释放出来。最新的伽马射线是这项研究的重点。布鲁诺-阿西奥利（Bruno Arsioli）说："太阳受到来自银河系外各个方向的接近光速的粒子的袭击。这些所谓的宇宙射线是带电的，会被太阳的磁场偏转。那些与太阳大气相互作用的粒子会产生伽马射线雨。"

美国宇航局费米伽马射线太空望远镜的艺术家概念图。费米望远镜每隔三小时就会在地球轨道上扫描整个天空。图片来源：NASA 戈达德太空飞行中心/Chris Smith (USRA)

科学家们认为，这些伽马射线雨在太阳圆盘的任何地方出现的几率都是相同的。这项研究表明，宇宙射线可能会与太阳的磁场相互作用，从而产生伽马射线分布，而这种分布在恒星的各个纬度上并不均匀。

布鲁诺-阿西奥利补充说："我们还检测到了两极之间的能量差异。在南极，能量较高的光子（20 到 150 千兆电子伏特）发射过剩，而能量较低的光子大多来自北极。"

科学家们还无法解释这种不对称现象。在太阳活动周期的最大值期间，伽马射线更频繁地辐射到高纬度地区。2014年6月，太阳磁场发生逆转时，伽马射线尤其集中在太阳两极。这是指太阳磁场偶极子交换其两个符号，众所周知，这种奇特的现象发生在太阳活动的高峰期，每十一年一次。

太阳活动与磁场动力学

"我们发现的结果挑战了我们目前对太阳及其环境的理解，"这项研究的共同作者、的里雅斯特大学、INFN 和斯坦福大学的埃莱娜-奥兰多（Elena Orlando）说。"我们证明了太阳伽马射线发射的不对称性与太阳磁场翻转之间存在很强的相关性，这揭示了太阳天文学、粒子物理学和等离子体物理学之间可能存在的联系"。

所使用的数据来自伽马射线卫星费米大面积望远镜（Fermi-LAT）在 2008 年 8 月至 2022 年 1 月期间长达 14 年的观测。这一时期涵盖了一个完整的太阳周期，从最低点到下一个太阳周期，2014 年达到顶峰。挑战之一是将太阳辐射与背景天空中其他众多伽马射线源区分开来，这些伽马射线源与太阳的明显轨迹交叉。布鲁诺-阿西奥利（Bruno Arsioli）和他的同事埃莱娜-奥兰多（Elena Orlando）制作了一个工具，将所有太阳伽马射线事件整合在一个400至700天的窗口内，这个窗口可以在14年期间滑动。通过这种可视化，极地过量的时刻以及南北能量差异变得清晰可见。

"研究太阳的伽马射线辐射是研究和了解恒星大气层物理过程的一个新窗口，"阿西奥利说。"在两极产生这些过量伽马射线的过程是什么？也许除了宇宙射线与太阳表面的相互作用之外，还有其他产生伽马射线的机制"。

然而，如果我们坚持研究宇宙射线，它们可能会成为太阳内部大气层的探测器。对这些费米-LAT观测数据的分析还激发了一种新的理论方法，这种方法应该考虑对太阳磁场进行更详细的描述。

太阳伽马射线的产生与太阳耀斑和日冕物质抛射更为频繁的壮观时期之间可能存在的联系，以及这些联系与我们恒星磁性构造的变化之间可能存在的联系，可能是改进预测太阳活动的物理模型的一个要素。这些都是空间天气预报的基础，对保护空间卫星上的仪器和地球上的电信及其他电子基础设施至关重要。

布鲁诺-阿西奥利说："2024年和明年，我们将经历一个新的太阳极大期，太阳磁极的另一次倒转已经开始。我们预计到 2025 年底将重新评估磁场反转之后，两极是否会出现伽马射线发射过剩的情况。"

埃莱娜-奥兰多补充道："我们已经找到了揭开这个谜团的钥匙，这为我们指明了未来的方向。费米望远镜将在未来几年内运行并观测太阳，这一点至关重要。"

但是，太阳伽马射线可能有更多的信息需要揭示和进一步关注。现在发表的这项研究将加强下一代伽马射线空间观测站对太阳进行持续监测的科学依据。如果高能辐射确实携带着太阳活动的信息，那么下一次任务就应该计划提供太阳伽马射线辐射的实时数据。

编译来源：ScitechDaily