探索太阳磁场：未知背后的神秘力量

太阳似乎在提醒我们，地球只是一个联合系统的一部分。它的紫外线会灼伤我们的皮肤和眼睛，甚至可能导致物种灭绝。在日食期间，它的光会完全消失，它还会向我们抛出扭曲纠结的太阳耀斑和充满等离子体的日冕物质抛射。尽管我们与太阳在宇宙中存在联系，但关于这颗关键恒星仍有许多科学谜团有待解开，特别是它的磁场。

“太阳并非处于某个与我们毫无关联的空间虚空中，”科罗拉多州国家科学基金会国家大气研究中心（NCAR）的太阳物理学家莎拉·吉布森（Sarah Gibson）告诉《大众科学》。“极光实际上向我们展示了这种直接联系。我们通过光，最终通过磁场与太阳上发生的事情相联系。”

现在，科学家们首次对太阳的日冕磁场进行了近乎每日的测量。这个关键区域此前只是不定期地被观测，而这次新的观测为这个太阳区域提供了更动态的视角。通过它，我们可以更多地了解是什么驱动了强烈的太阳风暴，这些风暴可能会影响地球上的基础技术。研究结果详细发表于 10 月 3 日《科学》杂志的一项研究中。

太阳磁场是什么？

太阳磁场是太阳风暴和耀斑的主要驱动因素。随着社会对技术的依赖程度越来越高，这种空间天气会对电网、通信系统以及诸如 GPS 和卫星之类的太空技术构成威胁。

“我们知识的巨大缺口在于尚未对太阳大气层（日冕）中的磁场进行测量”

“那是日食期间能看到的部分。磁场控制着该大气层的形状，还控制着等离子体以及‘物质’所处的位置。”

测量这个区域的磁性通常需要大型且昂贵的设备，然而这些设备仅能研究日冕的一小部分。

“全球日冕磁场的测绘一直是太阳研究中所缺失的重要部分，” 在一份声明中说。“这项研究正在帮助我们填补对日冕磁场理解的关键空白，日冕磁场是可能影响地球的风暴的能量来源。​”

关于两种仪器的故事

科学家们已经能够常规测量太阳表面被称为光球层的磁场。测量更为暗淡的日冕磁场则更为困难，这限制了对日冕磁场三维结构和演化的更深入理解。

像美国国家科学基金会的丹尼尔·K·伊努耶太阳望远镜（DKIST）这样的大型望远镜能够深入地测量三维日冕磁场。DKIST 的孔径巨大，直径达 13 英尺，是世界上最大的太阳望远镜。它最近展示了其对日冕磁场进行详细观测的能力。然而，DKIST 无法一次性绘制整个太阳的图像。

为了尝试获取更全面的测绘结果，该团队转向了升级后的日冕多通道偏振计（UCoMP）。UCoMP 更适合为科学家提供更全局的日冕磁场图像，但分辨率较低且为二维投影。

像日食一样，UCoMP 可以遮挡住太阳的部分区域。它使用一种称为日冕仪的圆盘，使科学家能够测量太阳的大气层。与 DKIST 相比，UCoMP 的孔径小得多——约 7 英寸——但它可以有更广阔的视野，使科学家在大多数日子里能够对整个太阳进行研究。

该团队 应用了一种称为日冕地震学的方法 来追踪 UCoMP 数据中的磁流体动力学（MHD）横波。借助 MHD 波，他们得以创建出日冕磁场强度和方向的二维图。

在 UCoMP 研究期间，该团队在 2022 年 2 月至 10 月期间制作了 114 张磁场图，差不多每隔一天一张。

“我们正在迈入太阳物理学研究的新时代，在这个时代，我们能够常规测量日冕磁场，”杨说道。

把 DKIST 和 UCoMP 的测量结果结合起来使用，能够更全面地知晓日冕磁场。

看清全貌

这种研究方法还产生了对太阳极区日冕磁场的首次测量。由于太阳极区附近的曲线导致我们在地球上无法直接看到这些区域，所以这些极区从未被直接观测过。

虽然该团队没有直接观测到太阳的极区，但是他们首次对从极区发出的磁力进行了测量。UCoMP 提供的改进后的数据质量以及太阳接近其活动高峰期的情况，帮助他们获得了这类首次测量结果。

该团队将继续研究磁场，也就是捕捉磁场的三维状况。获得三维视图对于理解日冕在太阳爆发前是如何获取能量的尤为重要。

“这是我们第一次看到全球日冕磁场，但它仍然有点像三维事物的二维版本，”吉布森说。

最终，大型望远镜与全球视野相结合来测量太阳爆发背后所有的三维扭曲。提议的日冕太阳磁场观测站（COSMO），一个直径近五英尺的太阳折射望远镜，目前正在进行最终的设计研究。