北京
太阳周围的磁场环境是一团混乱的场与带电粒子流。近年来，借助帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）和太阳轨道器（Solar Orbiter）等任务收集的数据，人类对这份复杂性的描绘至少稍微好了一些。但在等离子体的大尺度流体属性与单个离子的微观属性之间的交界面上，仍存在一大片灰色地带。科学家认为，理解太阳的一些大尺度特征——比如为什么日冕比表面热得多——可能要靠我们对这个交界面的认识。
一篇直接处理该交界面若干悬而未决问题的论文，最近发表在《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）上，作者是布伦瑞克工业大学的饭泽正富（Masatomi Iizawa）及其合著者。
几十年来，太阳物理学家用两套相互竞争的方法来处理太阳风模型。一套范式把太阳风当作导电流体，科学家用流体运动数学的一个专门版本、再叠加磁性的细微之处来理解它。这个框架叫磁流体力学，处理的是太阳风与其他磁结构以及整个太阳系之间的大尺度相互作用。
可如果把巨大的等离子体流放大到足够近，很快就会发现它们只是由一个个带电离子集体成带组成的。为这些单个粒子建模，是太阳物理学家描述太阳风所用的另一套框架的核心。在这个模型里，质子和电子都绕着磁力线旋转，在更细碎的尺度上承受基本力的作用。
问题出在把两套框架合起来的时候。就像量子力学与相对论这对著名的物理学二元对立一样，它们并不怎么合得来。但理解它们如何能帮助物理学家回答那个延续数十年的问题——为什么太阳的日冕比恒星表面热上数百万度——正需要这种结合。
回答这个问题归根结底是能量转移的问题：如果日冕那么热，显然总有东西在加热它。为了找出这份热量从哪来，饭泽博士和团队转向了一个叫磁螺度的性质。它描述磁力线扭转、成环和相互连接的程度。关键在于，它自带一个叫“手性”的特征，这个特征在理解该交界面时扮演着关键角色。
手性最好用一个老比喻来解释。把一根电话线当作磁力线的替身：顺时针拧，它得到“右旋”螺度；逆时针拧，得到“左旋”螺度。在太阳磁场整体的混乱中，这些性质通常会相互抵消，对太阳风的结构没有大的影响。
然而，研究人员在帕克的部分数据里发现了非常独特的东西。他们注意到，恰恰在流体物理与粒子物理的交界面上，一个清晰的螺旋信号开始浮现。借助帕克在靠近太阳处获得的高分辨率磁场读数，研究人员分析了归一化磁螺度密度谱，揭示出一对反向旋转的螺旋峰，就位于离子动力学交界面附近。
光是找到这种并排出现的图样本身就算一项发现，但研究人员继续观察这些相对较小的结构如何在空间中移动。通常，科学家会预期螺旋扭转是在很近的地方形成的，其电磁频率会模仿当地环境。帕克看到的并非如此——频率似乎偏向更低的频段，形成了天体物理学家所称的“非局域演化”特征。
这意味着，这些螺旋扭转不只是与周围等离子体的性质相互作用，它们还在主动与跨越多个尺度等级的结构耦合，从单个粒子的涟漪一直到巨大的流体等离子体运动。这也暗示，它可能与科学家所说的“螺度屏障”有关。
在湍流等离子体流中，物理学家把能量建模为从巨大的涡旋一路向下流到细小的离子涟漪，最终以微观热量的形式耗散。但如果这团湍流等离子体是“有手性的”，向下传递的能量在抵达“离子边界”时就会被挡住——也就是当它从流体等离子体过渡到粒子等离子体的时候。这阻止了能量耗散，并迫使承载螺旋手性等离子体的磁扭转形成更大的结构，其中一些就是我们看到的日冕中的巨大磁“折返”。
这种磁积累的图样在帕克的数据中看得很清楚。但是，一旦一股太阳风流越过日球电流片——一张分隔相反磁极性电荷的巨大膜——这股流本身的结构就受损，螺旋特征也随之消失。
这一切说明，关于太阳物理，我们还有很多不了解的地方。但像这样的研究，以及帕克收集到的这类数据，正让我们比以往任何时候都更清楚地看到太阳混乱之中的结构。随着任务继续，肯定还会有关于太阳环境狂野湍流的其他洞见——只是别指望在帕克有生之年我们就能把它完全弄明白。
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