NASA超级计算机破解400年前困扰伽利略的太阳磁场之谜

一项新的研究揭示了太阳的磁场起源于更接近地表的地方，从而解开了伽利略首次探究的一个有着400年历史的谜团，并加强了太阳风暴的预报。包括美国西北大学工程师在内的一个国际研究小组，越来越接近于解开一个有 400 年历史的太阳之谜，这个谜连著名天文学家伽利略-伽利莱（Galileo Galilei）也曾为之困惑。

自从首次观测到太阳的磁场活动以来，天文学家一直在努力确定这一过程的起源。现在，在美国国家航空航天局的超级计算机上进行了一系列复杂的计算后，研究人员发现磁场产生于太阳表面以下约2万英里处。

这一发现与之前的理论相矛盾，之前的理论认为这一现象起源很深--从太阳表面下 13 万英里处开始。

这项研究成果于 5 月 22 日发表在《自然》杂志上。

这项新发现不仅有助于我们更好地了解太阳的动态过程，还能帮助科学家更准确地预报强大的太阳风暴。虽然本月的强太阳风暴释放出了美丽、绵延的北极光，但类似的风暴也会造成严重破坏--损坏地球轨道卫星、电网和无线电通信。

这幅插图在美国宇航局太阳动力学天文台拍摄的图像上描绘了太阳的磁场。复杂的线条叠加可以让科学家们了解太阳磁性随着太阳内部和外部的不断运动而变化的方式。图片来源：NASA/SDO/AIA/LMSAL

"自伽利略以来，了解太阳磁场的起源一直是一个悬而未决的问题，这对于预测未来的太阳活动（比如可能撞击地球的耀斑）非常重要，"该研究的合著者丹尼尔-勒科阿内说。"这项工作为太阳磁场的产生提出了一个新的假设，它能更好地匹配太阳观测数据，我们希望它能用于更好地预测太阳活动。"

莱科阿内是天体流体力学专家，现任西北大学麦考密克工程学院工程科学与应用数学助理教授，同时也是天体物理学跨学科探索与研究中心的成员。苏格兰爱丁堡大学数学教授 Geoffrey Vasil 领导了这项研究。

令人费解的历史

几个世纪以来，天文学家一直在研究太阳磁场活动的蛛丝马迹。其中包括伽利略，他在 1612 年首次对太阳黑子进行了详细观测。伽利略利用早期的望远镜甚至肉眼，记录下了太阳磁场不断变化所产生的黑斑。

多年来，天文学家在了解太阳产生磁场的物理过程的起源方面取得了重大进展，但局限性依然存在。例如，一些理论认为太阳动力起源于深海，并预言了天文学家从未观测到的太阳特征，如高纬度地区的强磁场。

这张照片拍摄于美国东部时间2013年6月20日晚上11:15，显示了太阳左侧太阳耀斑的亮光，以及太阳物质喷发穿过太阳大气层的现象，称为突出喷发。图片来源：NASA/Goddard/SDO

缺失的碎片

为了解决这个难题，研究小组开发了新的、最先进的数值模拟来模拟太阳磁场。与以前的模型不同，新模型考虑了扭转振荡，这是气体和等离子体在太阳内部和周围流动的一种周期性模式。由于太阳不像地球和月球那样是固态的，因此它并不像一个物体那样自转。相反，它的自转随纬度而变化。与 11 年的太阳磁周期一样，扭转振荡也经历了 11 年的周期。

莱科阿内说："由于波的周期与磁周期相同，人们一直认为这些现象是有联系的。然而，太阳磁场的传统'深层理论'并不能解释这些扭转振荡的来源。一个耐人寻味的线索是，扭转振荡只出现在太阳表面附近。我们的假设是，磁循环和扭转振荡是同一物理过程的不同表现形式。"

当西北大学莱科阿内实验室的博士后研究员凯尔-奥古斯丁森（Kyle Augustson）进行数值模拟时，研究人员发现他们的新模型为扭转振荡中观察到的特性提供了定量解释。该模型还解释了太阳黑子是如何遵循太阳磁场活动模式的--这也是深起源理论所缺失的另一个细节。

改进预测

研究人员希望通过更好地了解太阳的发电机，改进对太阳风暴的预测。当太阳耀斑和日冕物质抛射向地球发射时，它们会严重破坏电力和电信基础设施，包括GPS导航工具。例如，本月最近发生的太阳风暴就在播种旺季破坏了农用设备的导航系统。

但研究人员认为，1859 年 9 月袭击加拿大的一场更为强烈的太阳风暴值得警惕。这场被称为卡灵顿事件的强烈风暴破坏了加拿大刚刚起步的电报系统。如果有足够的预警，工程师们就可以采取措施防止未来发生灾难性的破坏。

莱科阿内说："虽然最近的太阳风暴威力巨大，但我们担心的是像卡林顿事件那样威力更大的风暴。如果今天类似强度的风暴袭击美国，估计将造成 1 万亿到 2 万亿美元的损失。虽然太阳动力学的许多方面仍然笼罩在神秘之中，但我们的工作在破解理论物理学中最古老的未解难题之一方面取得了巨大进步，并为更好地预测危险的太阳活动开辟了道路。"

编译来源：ScitechDaily