邂逅星空“烈焰” 探究太阳之谜

2024年5月，一部有关阿勒泰的电视剧登顶全网收视榜，剧中阿勒泰的美浑然天成，镜头之下，山川、丛林、天空、旷野，无不独具性灵。作为新疆美景的其中一张“明信片”，阿勒泰的星空也独具魅力，接连上演的“极光”盛宴美不胜收。

美丽的星空“烈焰”——极光

极光是地面上能用肉眼看到的、由太阳风等离子体与地球磁层相互作用产生的一种自然现象。

极光的出现与太阳耀斑有一定关系，耀斑是太阳大气局部区域突然增亮的活动现象，太阳本身是一个巨大的“磁球”，耀斑往往出现在磁场结构复杂的活动区，在耀斑活动区，随着活动区磁能的不断积累，磁力线会发生“扭曲”，这些扭曲的磁力线像拧紧的橡皮筋一样，一旦扭曲的磁力线由于重联发生截断将会在短时间内释放出大量的能量。此时在日冕大气的等离子体会被迅速加热和加速，伴随有各种波段的增强的电磁辐射和粒子发射，这种强烈的爆发现象，即耀斑。

耀斑爆发过程中常伴有大量的日冕的等离子体被抛入日地空间，称为“日冕物质抛射”。太阳不断地从它的表面向周围的空间喷射物质，在太阳活动周期的高峰期，每天可能会发生2-3次日冕物质抛射(CME)，这些等离子体物质以每秒几百至上千公里的速度运行，面向地球的等离子体将会引发地球磁场大小和方向的扰动，从而产生“地磁暴”以及其他极端空间天气事件，极光是地磁暴可视化的表现。

磁暴期间，等离子体与磁层相互作用后注入极区的粒子会大幅度增加，注入地球磁场的纬度范围也会扩大，使得处于地球中高纬度的新疆等地能够看见极光。

中国科学院新疆天文台是西北地区唯一的综合性天文台，因极光广泛收到社会关注，近期新疆天文台太阳团组成员也秉持着科学家的责任，非常愿意与大众分享相关的科普知识。其实，太阳活动是具有大约11年的周期。太阳活动最活跃的时期称为“极大期”，最不活跃的时期称为“极小期”。在极大期，太阳黑子的数量增加，耀斑的发生频率也会增加，相反，在极小期，黑子数量和耀斑发生频率都会减少。

2013-2014年是太阳活动的极大期，预计太阳活动将在2024-2025年迎来第25个极大期，2024年正处极大期的上升阶段，太阳耀斑爆发非常频繁，下图是2024年5月产生的几十个极端耀斑事件，引发了地磁暴，并在新疆、北京等地形成了绚丽多彩的极光。耀斑爆发的能级从小到大分成A、B、C、M、X五个等级，等级依次增强。

大部分太阳耀斑的寿命仅在几分钟到几十分钟之间，并在短时间内会伴随大量能量释放，如XX1级耀斑瞬间释放的能量相当于地球上相同接收面积1000多年时间接收到的能量总和。

今年5月部分时间太阳耀斑爆发能量观测结果 （图片来源：空间环境预报）

知己知彼 防患未然

地磁暴会在全球各地引发通信障碍、停电和卫星失效等问题，其中最著名的要数卡林顿事件。1859年9月1日早晨，英国天文爱好者卡林顿在观测太阳黑子时，发现太阳北侧的一个大黑子群内突然出现了两道极其明亮的白光，在一大群黑子附近正在形成一对明亮的月牙形东西。后经确认，卡林顿看到的这一现象是太阳耀斑爆发的过程，这一事件被称为卡林顿事件。

在耀斑爆发十七个半小时以后，地磁仪的指针因超强的地磁强度而跳出了刻度范围，几乎同一时间，各地电报局电报机的操作员报告说他们的机器在闪火花，甚至电线也被熔化了，且在这天夜里，天空中五颜六色的北极光一直向南弥漫至古巴和夏威夷等地。

卡林顿事件是一次超强太阳活动爆发事件。类似的超强事件在历史上曾出现过多次，例如1989年3月的那次太阳风暴曾经造成加拿大魁北克省整个配电网故障，而2003年10月30日特大的太阳风暴曾使两颗卫星失灵，造成全世界通信和电网中断。

基于此，科学家们认为太阳活动爆发的研究一方面是太阳物理基础研究的核心问题，是研究其他恒星和等离子体物理的天然实验室，为未来探究日冕加热问题等提供帮助；另一方面是可以预报太阳活动，为灾害性空间天气提供有效的提前预警。

太阳研究我们有话要说

自20世纪80年代，中国科学院新疆天文台便在南山观测站建成了太阳色球、光球双筒望远镜和太阳射电望远镜等设备，主要开展太阳耀斑爆发的物理机制研究并提供太阳活动的预报。

经多年发展，新疆天文台太阳物理研究团组于2018年正式成立，团组成立后聚焦新疆天文台科研中心工作，以抢占科技制高点为目标，取得了一系列研究成果：

一是在太阳活动爆发磁能释放过程中研究了耀斑环和日冕磁环的动力学演化(Shen ApJ,2014)，首次揭示了耀斑早期磁流绳形成的过程(Shen,ApJ,2017），首次报道了耀斑早期磁流绳电流的注入驱动了耀斑的爆发(Shen,RAA,2022,2023)，运用高分辨率的观测，报道浮现活动区米粒浮现过程的偶极场分离运动和拱形暗条系的形成，揭示了小尺度磁流浮现的起源(Shen,ApJ,2022)，在日冕加热问题的研究中直接观测到太阳光球磁声波振荡导致的日冕加热(Hashim，RAA,2021，ApJ 2024)。

二是在太阳射电爆发及辐射机制研究方面，提出了射电V型和运动IV型爆发可能的辐射模型(Tang,ApJ,2016,2020)，太阳射电精细结构的研究(Tang,RAA,2021,Wan A&A,2021)。

三是在激波粒子加速方面，模拟研究双激波追赶效应，模拟研究CME激波与地球弓激波“迎面”碰撞，发现了合并的粒子能谱出现“折断”特征(Wang,ApJ,2017)，发现了粒子注入率与加速效率成正相关关系(Wang,ApJ,2019)。

磁流绳形成的证据 （图片来源：作者提供 Shen et al, ApJ,2017）

耀斑前兆非热电子加速的证据 （图片来源Shen et al, RAA,2022）

作为“十四五”重点培育方向，新疆天文台太阳物理“太阳活动爆发与空间天气研究”通过揭示不同尺度太阳活动爆发的动力学演化、耀斑磁能积累和释放、日冕加热等做出系列研究工作。我们的研究成果一方面可以解决太阳物理基础研究的核心问题，另一方面能够准确预报太阳活动的爆发，为灾害性空间天气提供可靠的预警信息。

日冕加热通道的研究证据 （图片来源：Haxim et al. ApJ, 2024作者提供）

虽比高飞雁，犹未及青云。新疆天文台太阳物理研究团组处在黄金时代，在不久的将来，一是要争取在低频段建设超高时间和频谱分辨率的射电望远镜，或对现有观测设备进行必要的升级改造，以满足更高水平的太阳观测；二是争取更多的小型太阳望远镜能够落实落地，支撑我国太阳物理实测研究的快速发展；三是利用国际国内大口径望远镜，对不同尺度太阳爆发活动的物理机制开展研究，为空间天气预报做到及时预警。

未来的路需要交给时间去验证，新疆天文台太阳物理团组成员将紧抓当下、布局未来，用无悔的青春铺就通往美好明天的科学之路。

出品：科普中国

作者：云朝昂、沈金花（中国科学院新疆天文台）

监制：中国科普博览