研究生梅森此前在尋找日冕雨：由等離子體或帶電氣體組成的巨大球體，這些氣體從太陽的外層大氣滴落回太陽表面。但她希望能在頭盔垂飾中找到它，這是一種100萬英里高的磁環(huán)，因其與騎士尖尖的頭盔相似而得名。計算機模擬預(yù)測那里會有日冕雨。

對太陽風(fēng)(從太陽中逸出并進入太空的氣體)的觀測表明，可能正在下雨。如果能找到它，那么潛在的降雨物理現(xiàn)象將會對太陽外層大氣(被稱為日冕)比其表面溫度高得多這一有著70年歷史的神秘現(xiàn)象產(chǎn)生重大影響。

博科園：但經(jīng)過將近半年的尋找，梅森就是找不到，梅森說：我們花了很多時間尋找一些最終沒有發(fā)生的事情。事實證明，問題不在于她在尋找什么，而在于她在哪里尋找。研究結(jié)果2019年4月5日發(fā)表在《天體物理學(xué)》上，梅森和合著者描述了第一次觀測到日冕雨是在一個更小、以前被忽視的太陽磁環(huán)中。在錯誤的方向上進行了漫長而曲折探索之后，這些發(fā)現(xiàn)在日冕異常加熱和緩慢太陽風(fēng)的來源之間建立了新的聯(lián)系——這是當(dāng)今太陽能科學(xué)面臨的最大謎團之一。

太陽上怎么下雨？

通過安裝在美國宇航局SDO航天器上的高分辨率望遠鏡觀測到太陽（一個熾熱的等離子體球，充滿了由巨大火球環(huán)所追蹤的磁場線）似乎與地球沒有多少物理上的相似之處，但是我們的母星提供了一些有用的指南來分析太陽混亂（其中就有雨）。在地球上，降雨只是更大水循環(huán)的一部分，這是一場在熱和引力之間無休止的拉鋸戰(zhàn)。當(dāng)液態(tài)水聚集在地球表面的海洋、湖泊或溪流中時，太陽就會加熱液態(tài)水。其中一些蒸發(fā)并上升到大氣中，在那里冷卻并凝結(jié)成云。最終，這些云變得足夠重，引力變得不可抗拒，在這個過程重新開始之前，水以雨的形式落回地球。

而在太陽上，日冕雨也有類似的作用，但不是60度的水，而是100萬度（℃）的等離子體。等離子體是一種帶電氣體，它不像水一樣聚集在一起，而是沿著太陽表面形成的磁環(huán)運動，就像軌道上的過山車。在環(huán)的腳點，也就是它與太陽表面相連的地方，等離子體被過熱，溫度從幾千華氏度到180多萬華氏度不等。然后，它擴大了回路，并在遠離熱源的地方聚集到它的峰值。當(dāng)?shù)入x子體冷卻時，它會凝結(jié)，重力會把它吸引到循環(huán)的腿上，形成日冕雨。梅森一直在尋找頭盔飾帶上的日冕雨，但她去那里尋找日冕雨的動機更多地是由于這種潛在加熱和冷卻循環(huán)，而不是雨本身。

至少從20世紀(jì)90年代中期開始，科學(xué)家們就知道頭盔上的流光是慢太陽風(fēng)的一個來源。慢太陽風(fēng)是一種相對較慢、密度較大的氣體流，它會從快速移動的太陽中分離出來。但是，對緩慢太陽風(fēng)氣體的測量顯示，在冷卻和逃離太陽之前，它曾經(jīng)被加熱到一個極端程度。日冕雨后的加熱和冷卻循環(huán)過程，如果是發(fā)生在頭盔垂飾內(nèi)部，將是一個謎。另一個原因與日冕加熱問題有關(guān)——太陽外層大氣溫度是其表面溫度的300倍，這是一個謎。令人驚訝的是，模擬顯示，日冕雨只有在循環(huán)的最底部加熱時才會形成。如果一個環(huán)流上有日冕降水，那就意味著它的底部10%，或者更少，是日冕加熱發(fā)生的地方。雨環(huán)提供了一個測量桿，一個確定日冕加熱位置的截止點。

在能找到最大的循環(huán)中開始搜索（巨大的頭盔鏈）似乎是一個適中的目標(biāo)，一個能使他們成功機會最大化的目標(biāo)。研究人員有最適合這項工作的數(shù)據(jù)：美國宇航局太陽動力學(xué)觀測站(SDO)拍攝的照片。但在搜尋工作進行了將近半年之后，梅森仍然沒有在頭盔垂飾上發(fā)現(xiàn)一滴雨。然而，她注意到許多她不熟悉的微小磁性結(jié)構(gòu)。梅森說：它們真的很亮，一直吸引著我的目光，當(dāng)我最終看到它們時，可以肯定它們一次下了幾十個小時的雨。起初，梅森是如此專注于頭盔流光任務(wù)，沒有做任何觀察。戈達德的太陽能科學(xué)家、論文的合著者尼克爾琳·維爾(Nicholeen Viall)說：

在小組會議上說，從來沒有發(fā)現(xiàn)過它——在這些其他結(jié)構(gòu)中一直能看到它，但它們不是頭盔上的彩帶。我說，等等……等一等，你在哪里看到的？我想以前從來沒有人見過這種事！這些結(jié)構(gòu)不同于頭盔飾帶在幾個方面，但最引人注目的是它們的體型，所以這說明日冕的加熱比我們想象的要局限得多。雖然這些發(fā)現(xiàn)并沒有確切說明日冕是如何被加熱的，但“它們確實降低了日冕加熱可能發(fā)生的地方”。發(fā)現(xiàn)雨環(huán)有3萬英里高，只有她最初尋找一些頭盔飾帶的2%高。雨水凝結(jié)了關(guān)鍵日冕加熱發(fā)生的區(qū)域。梅森說：我們?nèi)匀徊恢赖降资鞘裁丛诩訜崛彰?，但是我們知道它一定是在這一層發(fā)生的。

慢太陽風(fēng)的新來源

但有一部分觀察結(jié)果與之前的理論并不相符。根據(jù)目前的理解，日冕雨只在封閉的循環(huán)中形成，在那里等離子體可以聚集并冷卻，而沒有任何逃逸途徑。但是當(dāng)梅森仔細篩選數(shù)據(jù)時，她發(fā)現(xiàn)了一些在開闊的磁力線上形成雨的例子。只有一端固定在太陽上，這些開放磁場線的另一端被送入太空，那里的等離子體可以逃逸到太陽風(fēng)中。為了解釋這一異?，F(xiàn)象，梅森和團隊提出了另一種解釋——將這些微小磁性結(jié)構(gòu)上的降雨與慢太陽風(fēng)的起源聯(lián)系起來。在新解釋中，降雨等離子體以一個閉合的回路開始它的旅程，但是通過一個稱為磁重聯(lián)過程切換到一個開放的回路。

這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在太陽上，當(dāng)一個閉合回路撞上一個開放的電場線，系統(tǒng)就會重新布線。突然，閉環(huán)上的過熱等離子體發(fā)現(xiàn)自己在一條開放的磁場線上，就像一列火車改變了軌道。其中一些等離子體將迅速膨脹、冷卻，并以日冕雨的形式返回太陽。但懷疑，其他部分將會逃脫——形成慢太陽風(fēng)的一部分。梅森目前正在對這一新解釋進行計算機模擬，但她也希望即將到來的觀測證據(jù)能夠證實這一解釋。帕克太陽探測器于2018年發(fā)射升空，它比之前的任何航天器都更接近太陽，它可以穿越緩慢的太陽風(fēng)爆發(fā)，而這些太陽風(fēng)可以追溯到太陽——這可能是梅森的日冕雨事件之一。

挖掘數(shù)據(jù)

關(guān)于在頭盔垂飾中發(fā)現(xiàn)日冕雨？搜索仍在繼續(xù)，模擬結(jié)果很清楚：雨應(yīng)該在那里，也許它太小了，你看不見？但話又說回來，如果梅森找到了她要找的東西，她可能就不會有這個發(fā)現(xiàn)了——或者她花了那么多時間來研究太陽數(shù)據(jù)的來龍去脈。梅森說：這聽起來很艱難，但說實話，這是我最喜歡的事情；我的意思是，這就是為什么我們建造了這樣一個可以拍攝這么多太陽照片的東西，這樣我們就可以看著它們，然后找出答案。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自: 美國宇航局的戈達德太空飛行中心/Miles Hatfield

參考期刊文獻:《天體物理學(xué)》

DOI: 10.3847/2041-8213/ab0c5d

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