太阳轨道器追踪揭示神秘磁折返结构的起源

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原作：European Space Agency. Sadie Harley

翻译：尹天任

校对：王茸 陈浩

编排：徐玖坤

后台：李子琦

这是太阳轨道器 2022 年观测到的磁折返（向左延伸的亮蓝白色结构）。该观测证实这类结构呈 S 形。

来源：ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI & Metis Teams and D. Telloni et al. (2022)

由欧洲空间局（ESA，简称欧空局）主导的太阳轨道器航天器穿越了太阳风磁场中一处 S 形弯折结构，也就是所谓的 “磁折返”。通过对磁折返内部难以探测的粒子溯源开展指纹分析，太阳轨道器追溯出该结构源自太阳表面，同时进一步揭示了太阳磁场的相关性质。正是这种多变的磁场，催生了极具破坏力的太阳风暴。

太阳拥有强大且躁动不安的磁场。该磁场不仅支配着太阳自身的活动，还会被太阳风沿着场线向外拖拽。太阳风是一股高温带电粒子流（等离子体），持续不断地从太阳向外喷涌至宇宙空间。这些磁力线在穿越太阳系的传播途中，会发生扭曲、断裂，或是向内回折。

太阳风连同其不断变化的场线，催生出各式各样的太阳活动。研究这些活动，能够帮助我们理解太阳本体及其周边空间发生的物理过程。

早在 2022 年，欧空局就报道太阳轨道器观测到太阳风磁场中的这种弯折结构：磁折返。尽管在靠近太阳的区域已经频繁观测到磁折返，但科学界对其形成机制依旧存在争论。借助远距离观测，太阳轨道器解开了谜题的一部分：证实磁折返确为 S 形结构，这只是科学家此前理论预测，但从未被直接观测证实。

如今该航天器为这道谜题补上另一块关键拼图：把一例磁折返溯源至它在太阳上的源头。法国国家科学研究中心等离子体物理实验室（CNRS/LPP）的杰西・科伯恩是发表在《自然・天文学》期刊上这篇新论文的第一作者，他表示：“太阳轨道器穿越了一个规模巨大的磁折返。正因如此，我们得以采集到其中十分罕见的粒子，这些粒子携带能够指明其起源的特征‘指纹’。”

太阳轨道器于 2022 年 3 月 26 日拍摄的太阳图像。

在大约 2 点钟、4 点钟、8 点钟和 10 点钟等多个方位可以看见磁环结构。

来源：ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI Team

关于磁折返两种物理机制的竞争及其合流

为建立其中的联系，科伯恩及其团队利用太阳轨道器搭载的太阳风分析仪（SWA）对构成磁折返的等离子体开展采样观测。当时太阳轨道器大致处于地球与太阳的中点位置。

科研人员探测到含有氧离子和碳离子的带电粒子组分，它们只可能在太阳表面炽热的磁环结构内部产生。

“关于磁折返乃至太阳风的形成，目前存在两种相互竞争的主流理论。” 科伯恩补充道，“太阳轨道器实测得到的这种独特粒子组分，就是‘交换重联’这一形成机制的确凿证据。“

这类重联发生在太阳上不同磁特性区域发生相互作用之时。在太阳大气中，开放磁场区域的场线如同通道一般向外延伸，物质可以顺着场线高速奔向太空；闭合磁场区域的场线虽起初向外伸展，但会弯折回归太阳表面，形成闭合磁环。

当开放磁场区域与闭合磁场区域发生相互作用，场线会相互挤压、断裂，并以新的方式重联。原本禁锢在磁环内部的等离子体，便借此机会逃逸进入星际空间。

本信息图制作于太阳轨道器 2022 年证实磁折返为 S 形结构之后。

来源：ATG & ESA

这就是该磁折返的形成过程，但故事并未到此结束。关于磁折返形成，还存在另一套理论，该理论认为其形成与波动和湍流过程有关（太阳轨道器已观测到这类波动在加速太阳风中发挥着重要作用）。

“令人激动的是，我们同样观测到了波动与湍流的迹象，但这些效应很可能是在磁折返向外驶入太空之后才出现的。” 论文共同作者、英国Northumbria大学的斯蒂芬妮・亚德利说道，“一旦磁折返脱离太阳，波动和湍流便开始占据主导，决定磁折返的运动方式。”

“总体来看，磁折返的产生及其在太空中的传播，是交换重联、波动湍流这两类物理过程共同导致的结果。我们的研究调和了这两种理论，证明二者只是在磁折返生命周期的不同阶段分别发挥作用。”

从磁折返到太阳风暴

为取得这一发现，研究人员利用太阳轨道器的太阳风分析仪（SWA）获取磁折返粒子的原位观测数据，分析太阳圆面图像，并对太阳及其周边空间的磁场开展建模研究。

他们构建了一套新的模型，用以确定等离子体的起源位置。该模型将太阳轨道器的观测数据与NASA的太阳动力学天文台的数据结合，以前所未有的细节揭示出磁折返在太阳上的源头。

除了磁折返本身来看，该研究成果还揭示了太阳加热自身大气、并将太阳风粒子加速抛向宇宙空间的机制。此外研究表明，太阳大气会把自身特征烙印在构成太阳风的粒子上。这为我们提供了一种可行手段：即便在远离太阳的地方，也能够解读太阳等离子体的演化历史。

“无论生活在地球上，还是身处太空，人类的生存都与太阳的活动紧密相连。太阳风把地球和太阳联结在一起。搞懂太阳风的动力学特性，对于保护地球免受极端空间天气事件的侵害至关重要。” 欧空局的太阳轨道器项目科学家丹尼尔・穆勒表示，“我们掌握的信息越多，就越能够借鉴2025年11月太阳风暴的经验教训，以此保护各类天基基础设施与技术设备。”

“如果没有太阳轨道器，这项发现根本无从实现。没有其它航天器既能抵近太阳开展观测，又配备可完成该项关联分析的全套仪器。这是该项任务的一次完美例证，证明利用科学手段可以把太阳和它所处的广阔空间环境联系起来，挖掘出更多关于这颗恒星的细节信息。”