太阳大气的温度为何比太阳表面更高？这个听上去无比简单的问题在百年间难倒了大批天体物理学家。然而天文望远镜最新捕获一系列图像，揭示了三个完全未知的天体物理现象的存在，为谜团找到了一种可靠的解释。
事实上我们要回归到2009年，当时坐落在西班牙加那利群岛拉帕玛岛上的瑞典太阳望远镜 （SST） 捕捉到了一系列最新的太阳活动图片，令研究它们的挪威天文学家大吃一惊：
太阳表面电离气体剧烈活动区域中，突然出现一个直径1000多千米的巨大圆盘状物体，短短几分钟后就消失了……
此前从未有任何一架天文望远镜捕获过这个画面，这究竟是什么？研究人员试图使用超级计算机借助方程式来鉴定这一现象，结果毫无收获。
直到数月前，美国国家航空航天局 （NASA） 太阳动力学天文台 （SOD） 才终于捕捉到了它的3D影像。
它令人叹为观止：一眨眼的功夫，它就从一团旋涡中拉甩出几条巨大的磁场线，位于其底部的电离气体无法抵御磁场的巨大引力，脱离太阳表面，纠结盘旋直至10000千米/时的高速。
为何太阳大气层如此炽热？计算机模拟表示，也许这些直径3000千米左右的巨型涡流可以帮助我们解开迷题。太阳大气层中每秒同时存在10000个这样的巨型涡流，并喷出大量温度高达100多万摄氏度的等离子体。
仅仅十几秒内，这个盘旋的庞然大物便展露出它最可怕的面貌：一个风眼面积相当整片大陆、高度为数千千米的巨型龙卷风出现了，它张开大嘴，大口吞下几千亿立方千米超过100万摄氏度的炽热气体。
太阳大气层中每秒同时存在10000个这样的巨型涡流，并喷出大量温度高达100多万摄氏度的等离子体。
几分钟后，这个“巨怪”便开始消散，很快踪影全无。磁场涡流不见了，刚才的极温逐渐消散在太阳的大气中。这个巨大的旋涡怪物如同昙花一现，只剩下余热弥散形成的光晕。
磁场快速旋转
天文学家或许找到了这个百年拼图谜题中最关键的一块。这个拼图其实只是一个简单的问题：为何日冕这个太阳表面的电离大气层的温度既不同于冰冷的宇宙温度，也不同于太阳本身的温度，而是如此炽热，高达几百万摄氏度？
事实上，早在1869年，科学家就确定了日冕的温度：这个在日全食发生时环绕在太阳周围淡淡的光晕，它的温度竟然高达几百万摄氏度……而太阳表面的温度只有5600℃。
1868年日全食期间，美国天文学家威廉·哈克尼斯 （William Harkness） 和查尔斯·杨 （Charles Young） 在研究日冕时发现了一种波长530.3纳米的谱线。
法国奥赛空间天体物理研究所 （IAS） 的物理学家埃里克·比什兰 （Eric Buchlin） 解释说：“太阳的所有能量都来自于其核心的热核反应，这些反应为太阳内层提供热量……”
所以我们观察到，离太阳的核心越远，温度就越低，等离子气体浓度也越低：太阳核心是高达1200万摄氏度的黏稠物质，而70万千米外的太阳表面，气体温度仅为5600℃。等离子体变成了轻盈透明的氢气和氦气。
太阳表面在不断蒸发！太阳表面剧烈活动的耀斑以100千米/时的速度将几千摄氏度的电离气流喷出1000千米远。
它们的热能随着耀斑爆发喷出的磁场线将被输送到几千千米以外。
这便触及谜团的关键所在了：从太阳表面继续往外，温度应当继续降低，直到与宇宙的温度持平，达到－200℃为止。而实际情况与此完全相反：太阳表面数百千米的距离内，温度骤然上升了100多万摄氏度！
既然太阳的热能都来源于它的内核，为何其大气最外层会达到如此的高温？是什么神秘加热机制聚集大量热能于日冕？长期以来，这个问题一直困扰着科学家。
“这是天体物理学最大的谜团之一。”巴黎天文台专家纪尧姆·乌拉尼耶 （Guillaume Aulanier） 介绍道，“在它背后，是许多悬而未决的问题：为何某些星际空间的温度非常高？磁场如何操控恒星爆炸？而最重要且最根本的问题是，等离子体的加热机制是什么？”
百年来各种假说接踵而至。天文学家最初认为可能是声波引导等离子体到达日冕并使之变热。但事实是，声波根本无法穿越太阳表面和大气层之间的过渡区。
“我们观察到，由于太阳表面和大气层之间的过渡区温度变化过大，声波在那里会发生折射，就像进入了不同的介质一样。”埃里克·比什兰解释说。上世纪70年代，科学家开始认为这个输送能量的载体应该是太阳表面的巨大磁场。
塞巴斯蒂安·高蒂耶 （Sébastien Galtier） 在奥赛空间天体物理研究所负责为日冕的加热机制建模，他介绍道：“磁与电是不可分割的。等离子体中的带电粒子被迫沿着磁力线方向运动，而同时我们知道太阳的磁场非常强烈，因此我们有理由推测，正是强磁场掌控了太阳上一切物质的运动，同样也正是强磁场引导带电粒子进行能量的传送。”
为了证实这个推测，科学家需要更多的观测数据来确定磁场是通过何种机制来操控能量传送的。事实上，20年来，太阳一直是众多天文望远镜的重点观测对象。
纪尧姆·乌拉尼耶介绍说：“上世纪90年代末，美国空间望远镜SOHO （太阳与日球观测站） 对太阳进行了观测，它把对太阳的观测从早期的线性视野带入了3D殿堂。我们得以首次立体地了解太阳等离子体的运动。”
随后，STEREO （日地关系天文台）、SORCE （太阳辐射和气候试验卫星）、RHESSI （拉马第高能太阳光谱成像探测器）、Koronas （日冕卫星）、Hinode （“日出”号太阳观测卫星）、SDO （太阳动力学天文台） 等10多个空间观测器纷纷登上日心轨道，同时在地球上还有30多架天文望远镜对太阳进行实时观测，太阳上哪怕最小的磁场涡流都逃不过它们的火眼金睛。
日出卫星拍摄的2012年金星凌日。
剑桥大学太阳研究专家度伽世·崔帕蒂 （Durgesh Tripathi） 愉快地指出：“对太阳物理学来说，这是非常激动人心的一段时期，我们处在观测的黄金时代！”
专家们迫切希望依靠这些探测器传回的大量数据和图像解开日冕高温的谜团。不负所望，这块迷一样的拼图正被慢慢拼凑起来。
2002年，科学家捕捉到一系列信号，表明在太阳耀斑周围有磁场涡流，似乎正在渐渐向外传送能量。
2007年，科学家发现了磁振荡的存在：阿尔文波穿越过渡区，并将带电粒子携带到日冕层。
2011年，一个美国研究小组发现磁场能够在太阳表面形成管道，向日冕层持续注入炽热的气体……几乎每有一次新发现，天体物理学家就会急切地建立新模型，预测能量的分布，每次他们都期待成功模拟强磁场的运作，能够解释加热日冕的那些能量的来源。“其中有些在理论上说得通，但就连提出理论的科学家自己都怀疑现实是否如此。”塞巴斯蒂安·高蒂耶说道。
形成惊人的巨型龙卷风
2012年，三个研究小组各发现了一个新的天体物理现象，有望最终解开谜题。
第一个发现十分不起眼，而这正是它的惊人之处：中国科学家探测到太阳表面存在直径仅为100千米的磁流管结构，它们持续向太阳大气层底部注入炽热气体。
只需一根头发丝就能在天文望远镜上遮住它们：这些直径100千米的“细小”磁流管诞生于太阳表面的磁拱，它们持续不断地加热太阳大气的最底层。
紫金山天文台 （PMO） 天体物理学家季海生介绍说：“我们发现它们的时候大吃一惊！因为这已经达到了天文望远镜的最高分辨率，我们花了好几天研究这些图像才最终确定。”震惊过后，紫金山天文台研究人员对这个现象背后的运作机制进行了研究，他们认为由于太阳表面等离子体不匀形成磁拱，继而产生磁流管。
第二个研究小组的发现与第一个现象相似，只是规模更大且发生在一些耀斑频发的特殊区域。通过“日出”号卫星对耀斑底部的观测，剑桥大学研究人员发现等离子体在日冕层的运动速度上升到了100千米/时。参与这项观测的度伽世·崔帕蒂非常谨慎：“我们严谨地按照观测数据进行分析。假如结论属实，那它似乎表明太阳表层正在弥散。”
最后是一个更为巨大的现象，那就是挪威研究小组发现的“龙卷风巨怪”，它们将等离子体搅在一起，并把能量输送到日冕层。“最初我们看到等离子体在离太阳表面不远的高度旋转，当时我们并不知道看到的是什么，直到多次观测以及计算机模拟之后，才把它们与日冕层上的旋涡联系在一起。”发现者之一、奥斯陆大学研究人员伊蒙·斯卡利恩 （Eamon Scullion） 说道。
研究人员模拟了14个这样的涡流，并计算了它们输送到日冕的能量。“结果太惊人了！”研究负责人斯文·魏德迈 （Sven Wdemeyer） 激动不已，“模拟结果告诉我们，太阳表面每秒钟同时存在1万个这样的巨型涡流，仅它们释放的能量就足够能加热日冕了。”
每一个发现都互相关联，谜团正渐渐被揭开。尽管许多人无法同意这些巨大的涡流是日冕如此炽热的唯一原因，但是众多研究人员达成了一点共识：过去10年里发现的所有能量传输机制所能提供的能量总和足以让他们解释日冕为何会达到如此难以置信的高温了。
这是第一张日冕电子温度和离子电荷态的二维分布图 Credit: Habbal, et al.
现在可以来总结一下，并初步提出一个整体解释。日冕的能量可能来自太阳表面下等离子体的剧烈运动，而输送能量的太阳磁场通过自身的运动，打开各种渠道将等离子体倾泻进日冕层。
输送机制渐渐明朗：磁场快速旋转形成涡流，后者导致大气层底部生成磁流管，形成物质上升通道……“我们还不知道具体是哪个机制占主导，我们只是刚刚开始对不同的机制进行分类，并将它们组织成一个完整的解释。”纪尧姆·乌拉尼耶介绍说，“但物理机制就是如此，我们对这一现象的形成已经有了大致的看法！”
能量跑哪儿去了？
如此巨大的能量最终怎样在太阳大气中释放，仍是巨大的未解之谜。“这个问题还有待研究。”埃里克·比什兰承认。科学家目前提出两种假设。第一种假设：强烈扭曲的磁场线突然断裂并释放出能量，然后重新连接在一起形成更稳定的结构——这种“磁重联”现象于1997年在实验室里被观察到。
另一种假设中能量释放的规模更小：太阳电磁波之间的碰撞使围绕它们旋转的等离子体粒子活跃起来，原理有点儿类似卤素灯泡通过电流刺激灯泡里的气体粒子发光。
太阳风加速的神秘动力究竟何在？观测数据显示，太阳风从日冕持续向宇宙抛出速度为4000000千米/时的粒子流……然而根据模拟，粒子流的速度每小时应该仅有几千千米而已。天体物理学家揣测这也是强磁场的杰作，只是他们无法确认源于何种机制。
事实上或许这两种机制同时存在。纪尧姆·乌拉尼耶解释说：“模型显示，磁重联现象主宰了太阳表面的平静区域，而活跃区域则以小规模能量转移为主。”
解开这个谜题还需要更多的观测，然而我们不知道天文望远镜何时能捕捉到这些现象。埃里克·比什兰指出：“这两类现象的发生范围都只有几十米，而目前天文望远镜最高分辨率只达到100千米左右。虽然我们已经开始着手提高分辨率，但离这一水平还远着呢。”
不仅如此，在理论上我们也将遇到重重困难，因为就算达到目标分辨率，届时电离气体也已不再是流体状，而是一团带电粒子的总和，如果我们不将非线性等离子体物理学研究透澈——这是一个令几代理论物理学家折戟的难题——就无法对其进行描绘。
看来，纵然解开了日冕超高温的谜团，“太阳王”的其他秘密仍将长久陪伴我们。
撰文 Mathilde Fontez
编译 王佩瑶
