北京
杨子浩 田晖
如果我们在日全食期间观察太阳，会发现太阳周围有一圈晕状结构，这是太阳大气最外层的日冕，其中的磁场长久以来难以测量。近日，北京大学太阳物理研究团队历时8个月，绘制出114幅日冕磁场分布图，就像为日冕拍摄了一部持续演化的“大片”，第一次清晰展示了日冕磁场在数月的时间里如何变化，相关成果发表在国际期刊《科学》上。
太阳的结构包括内部和大气。太阳大气从内到外分为光球、色球和日冕几个层次。日冕是太阳大气温度最高部分，达到百万摄氏度；虽然它很稀薄，却具有复杂磁场。太阳上发生的很多现象，如壮观的太阳爆发，都源于日冕磁场中储存能量的释放。这些太阳爆发现象不仅为地球带来美丽极光，同时也会威胁人类航天和导航通信等高技术活动。因此，对日冕磁场的测量一直是太阳物理重要的研究方向，也是一项重大挑战。近年来，随着技术进步和新型仪器投入使用，科学家正逐步揭开日冕磁场的神秘面纱。
太阳磁场的测量最早通过“塞曼效应”实现。塞曼效应是一种物理现象，这种效应使一条谱线在磁场中分裂成多条波长不同的谱线，通过测量波长差距就可以获得磁场的信息。长期以来，科学家通过这种方法对太阳光球的磁场进行了深入研究。然而，日冕磁场较弱，相应的波长差距很小，要测量它需要灵敏度和精度很高的仪器。不久前，利用位于美国夏威夷的丹尼尔·井上太阳望远镜，科学家成功捕捉到日冕中微弱的塞曼效应信号，并绘制出一个小范围内的日冕磁场分布图。此外，射电观测也是获取日冕磁场信息的重要手段。借助地面射电望远镜阵列观测，科学家能够对太阳上部分区域(如耀斑发生的区域)进行较为准确的日冕磁场诊断，从而监测这些区域的磁场变化。
利用以上方法得到的往往只是一个很小区域内的磁场信息，并且是零星观测。对于太阳物理研究来说，获得日冕全局性磁场并对其进行常规测量非常重要。日冕中存在很多波动，如同借助地震波能够获得地球内部的信息，通过分析日冕中的波动，人们也能得到包括磁场在内的日冕物理性质，这种方法被称为“冕震方法”。
2020年，由北京大学和美国国家大气研究中心领衔的一支科研团队发展了二维冕震方法，并将其成功应用到日冕多通道偏振仪所观测的普遍性波动中。以前的冕震方法只能获得磁场的一个值或者一条线上的分布，新的二维冕震方法能够获得磁场在一个面上的分布。利用这一方法，该团队首次绘制出日冕全局性磁场的二维分布图，实现了基于冕震方法测量日冕磁场从“点”“线”到“面”的飞跃，为实现日冕磁场的常规监测奠定了基础。
近日，北京大学太阳物理研究团队在日冕磁场测量方面再次取得重要突破。该团队领衔的国际合作研究小组利用升级版的日冕多通道偏振仪，实现为期8个月的日冕磁场演化观测。升级后的仪器有更高的分辨率、能进行更稳定的观测并获得质量更高的观测数据。利用这些数据，并结合进一步优化的二维冕震方法，团队不仅得到了114幅覆盖太阳不同经纬度的日冕磁场图，还展示了日冕磁场随太阳自转的变化，在国际上率先初步实现了日冕磁场的常态化观测，为理解太阳磁场的演化及其对日球层空间环境的影响提供了宝贵数据。
从过去几乎没有测量结果，到偶尔能够测量，再到初步实现常态化测量，对日冕磁场的测量进展为太阳物理学带来前所未有的发展机遇。随着全球新一代太阳望远镜投入使用，日冕磁场测量正迈入一个全新时代。未来，人们将常态化获取更加详尽、准确的日冕三维磁场信息。这不仅有助于揭示高温日冕产生的机制和日球层磁场结构，还将在太阳爆发的预报中发挥关键作用，帮助人们更好应对太阳活动对地球空间环境和人类社会的影响。
(作者单位：北京大学地球与空间科学学院)
《 人民日报 》( 2024年10月30日 15 版)
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