在發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》和《太陽(yáng)物理學(xué)》兩項(xiàng)新研究中，科學(xué)家們描繪了一幅太陽(yáng)周期如何突然死亡的圖景，這可能導(dǎo)致等離子體的海嘯穿過太陽(yáng)內(nèi)部，并在短短幾周后引發(fā)下一個(gè)太陽(yáng)黑子周期的誕生。這些新發(fā)現(xiàn)讓我們對(duì)太陽(yáng)黑子周期的神秘時(shí)間有了更深入了解。

太陽(yáng)黑子周期特征是太陽(yáng)表面太陽(yáng)黑子活動(dòng)的增減。雖然科學(xué)家們?cè)缇椭肋@些周期會(huì)持續(xù)大約11年，但要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)一個(gè)周期何時(shí)結(jié)束、下一個(gè)周期何時(shí)開始一直是個(gè)挑戰(zhàn)。

新的研究可能會(huì)改變這一狀況，在其中一項(xiàng)研究中，科學(xué)家們能夠確定清楚標(biāo)志著太陽(yáng)黑子周期結(jié)束的“終結(jié)者”事件。這項(xiàng)研究依賴于近140年來(lái)從地面和太空觀測(cè)到的太陽(yáng)活動(dòng)。了解了這些終止器的運(yùn)行情況后，科學(xué)家預(yù)測(cè)當(dāng)前的太陽(yáng)周期(太陽(yáng)周期24)將在2020年上半年結(jié)束，不久之后新的太陽(yáng)周期25就會(huì)開始。在第一項(xiàng)研究的推動(dòng)下，科學(xué)家們進(jìn)行了第二項(xiàng)研究，利用一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模型，探索了終結(jié)者事件如何觸發(fā)一個(gè)新太陽(yáng)黑子周期開始的機(jī)制。

模擬結(jié)果表明“太陽(yáng)海嘯”可以提供這種聯(lián)系，并解釋太陽(yáng)從一個(gè)周期到下一個(gè)周期的驚人快速轉(zhuǎn)變。這兩項(xiàng)研究都是由美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)領(lǐng)導(dǎo)。國(guó)家大氣研究中心的科學(xué)家斯科特·麥金托什(Scott McIntosh)說(shuō)：在過去一個(gè)多世紀(jì)觀測(cè)記錄中一直隱藏著終結(jié)者存在的證據(jù)，但直到現(xiàn)在，還不知道自己在尋找什么，通過將這么多年來(lái)的各種觀測(cè)結(jié)果結(jié)合起來(lái)，現(xiàn)在我們能夠把這些事件拼湊起來(lái)，從而對(duì)太陽(yáng)內(nèi)部如何驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)周期提供一個(gè)全新的視角。

閃爍的光揭示了奧秘

太陽(yáng)黑子周期是在太陽(yáng)活動(dòng)極小期(太陽(yáng)表面平靜的時(shí)期)之后產(chǎn)生。隨著太陽(yáng)活動(dòng)周期的繼續(xù)，越來(lái)越多的太陽(yáng)黑子出現(xiàn)了，它們首先出現(xiàn)在南北半球約35度的緯度上，并在10多年后緩慢地向赤道移動(dòng)，然后再次消失，進(jìn)入下一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)極小期。這一過程大致中點(diǎn)是太陽(yáng)活動(dòng)的最大值，此時(shí)太陽(yáng)黑子最為豐富。預(yù)測(cè)太陽(yáng)黑子演化的時(shí)間是一個(gè)主要科學(xué)目標(biāo)，部分原因是太陽(yáng)黑子的活動(dòng)與太陽(yáng)風(fēng)暴有關(guān)，太陽(yáng)風(fēng)暴會(huì)破壞地球的上層大氣，影響GPS信號(hào)、電網(wǎng)和其他關(guān)鍵技術(shù)，但事實(shí)證明，這樣的預(yù)測(cè)頗具挑戰(zhàn)性。

例如，太陽(yáng)目前處于太陽(yáng)活動(dòng)極小期，科學(xué)家們知道相對(duì)的平靜意味著當(dāng)前太陽(yáng)活動(dòng)周期即將結(jié)束，但很難說(shuō)新的周期將在幾個(gè)月后還是幾年后開始。研究可以提供更清晰的信息，包括周期時(shí)間以及周期本身的驅(qū)動(dòng)因素。研究人員首先研究日冕亮點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)——太陽(yáng)大氣中極紫外光的短暫閃爍。通過觀察亮點(diǎn)，科學(xué)家們認(rèn)為已經(jīng)對(duì)太陽(yáng)周期有了更全面的了解，而不是僅僅關(guān)注太陽(yáng)黑子的活動(dòng)。亮點(diǎn)首先出現(xiàn)在比太陽(yáng)黑子高緯度的地方(大約55度)。

并以每年大約3度的緯度向赤道移動(dòng)，幾十年后到達(dá)赤道。這些亮點(diǎn)所追蹤的路徑與中緯度地區(qū)(約35度)太陽(yáng)黑子活動(dòng)重疊，直到它們都到達(dá)赤道并消失。這次消失被研究人員稱為“終結(jié)者事件”，緊隨其后的是中緯度地區(qū)爆發(fā)的大量亮點(diǎn)活動(dòng)，標(biāo)志著下一個(gè)太陽(yáng)黑子周期的開始。在發(fā)表在《太陽(yáng)物理學(xué)》上一項(xiàng)確定“終結(jié)者”事件的新研究中，科學(xué)家們用來(lái)自不同航天器和地面觀測(cè)設(shè)施的一系列其他觀測(cè)結(jié)果。

證實(shí)了亮點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果，這些觀測(cè)數(shù)據(jù)可以追溯到13個(gè)太陽(yáng)周期。這篇論文的作者之一，同時(shí)也是美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心的研究員，馬里蘭大學(xué)的科學(xué)家Bob Leamon說(shuō)：我們能夠通過觀察一系列不同太陽(yáng)活動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)(磁場(chǎng)、光譜輻照度、射電通量)以及亮點(diǎn)來(lái)識(shí)別這些終止器，研究結(jié)果表明，真的需要退后一步，利用所有可用的數(shù)據(jù)來(lái)欣賞事物是如何運(yùn)行的，而不是僅僅一個(gè)航天器、一個(gè)觀測(cè)或一個(gè)模型。

海嘯的連接

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，日冕亮點(diǎn)能讓他們更好地“看到”太陽(yáng)周期的展開。但是為什么太陽(yáng)黑子周期會(huì)在“終結(jié)者”之后的幾周開始在中緯度地區(qū)激增呢》這篇關(guān)于太陽(yáng)海嘯的研究論文，由NCAR科學(xué)家茂蘇米·迪克帕蒂(Mausumi Dikpati)領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》(Scientific Reports)上，探討了觀測(cè)背后可能的機(jī)制。表明，日冕亮點(diǎn)是太陽(yáng)“環(huán)形磁場(chǎng)”運(yùn)動(dòng)的標(biāo)志，這種磁場(chǎng)像橡皮筋一樣環(huán)繞著太陽(yáng)，沿東西方向伸展，在過去20年里緩慢地向赤道移動(dòng)。

當(dāng)這些環(huán)形磁場(chǎng)波浪形地到達(dá)表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生太陽(yáng)黑子以及它們已經(jīng)產(chǎn)生的亮點(diǎn)。當(dāng)它們移動(dòng)時(shí)，也扮演著磁壩的角色，將等離子體困在身后。當(dāng)來(lái)自太陽(yáng)南北半球的環(huán)形磁場(chǎng)接觸到中間時(shí)，它們相互抵消的電荷導(dǎo)致它們相互湮滅，在海嘯中釋放出它們背后被壓抑的等離子體液體。這種液體向前沖，碰撞，然后向后波紋，以大約每秒300米的速度向兩極移動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)海嘯到達(dá)太陽(yáng)的中緯度時(shí)，會(huì)遇到下一個(gè)周期的環(huán)形磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)已經(jīng)向赤道移動(dòng)(這一過程由日冕亮點(diǎn)的路徑標(biāo)志)，但在太陽(yáng)內(nèi)部移動(dòng)得更深。

海嘯將這些磁場(chǎng)浮起，將它們抬升到表面，并產(chǎn)生大量的亮點(diǎn)（以及伴隨而來(lái)的太陽(yáng)黑子活動(dòng)）這標(biāo)志著新的太陽(yáng)黑子周期開始。研究觀察太陽(yáng)黑子的周期已經(jīng)有幾百年了，但是究竟是什么機(jī)制能夠在如此短的時(shí)間內(nèi)，把一個(gè)信號(hào)從周期結(jié)束的赤道，傳輸?shù)教?yáng)的中緯度，也就是下一個(gè)周期開始的地方，一直是個(gè)謎。作為一個(gè)整體，這項(xiàng)研究提供了一種新方式來(lái)思考太陽(yáng)內(nèi)部的運(yùn)作方式，挑戰(zhàn)了一些關(guān)于太陽(yáng)活動(dòng)過程的傳統(tǒng)思維。不管這項(xiàng)研究是否在正確的軌道上，也不管它能否提高我們的預(yù)測(cè)能力，很快就會(huì)得到第一個(gè)測(cè)試。

研究人員表示，有許多儀器非常適合觀測(cè)當(dāng)前太陽(yáng)周期不可避免的結(jié)束和下一個(gè)太陽(yáng)周期的開始。其中包括去年8月發(fā)射的帕克太陽(yáng)探測(cè)器、STEREO-A宇宙飛船、太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)觀測(cè)站、井上丹尼爾太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡等。明年，應(yīng)該有一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)，廣泛觀察終結(jié)者事件的展開，然后觀看太陽(yáng)黑子第25個(gè)周期的開始。研究人認(rèn)員表示相信其研究結(jié)果，尤其是如果“終結(jié)者”真的如預(yù)測(cè)的那樣出現(xiàn)，可能會(huì)徹底改變我們對(duì)太陽(yáng)內(nèi)部以及產(chǎn)生太陽(yáng)黑子和形成太陽(yáng)黑子周期過程的理解。

博科園｜研究/來(lái)自：天文研究大學(xué)協(xié)會(huì)

參考期刊《科學(xué)報(bào)告》《太陽(yáng)物理學(xué)》

DOI: 10.1038/s41598-018-37939-z

DOI: 10.1007/s11207-019-1474-y

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