阿爾文波假說(shuō)

日冕是太陽(yáng)大氣的最外層，其溫度可高達(dá)上百萬(wàn)攝氏度，會(huì)釋放出強(qiáng)烈的X射線(xiàn)和極紫外輻射，深刻影響著行星大氣的動(dòng)力學(xué)與演化。與此同時(shí)，日冕中被加熱的等離子體會(huì)被加速向外噴發(fā)，形成太陽(yáng)風(fēng)。

一直以來(lái)，天文學(xué)家還沒(méi)有搞清楚：為什么日冕的溫度如此之高？又是什么力量在驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)風(fēng)席卷整個(gè)太陽(yáng)系？

一種極具潛力的解釋是阿爾文波（Alfvén wave），這是一類(lèi)磁場(chǎng)的不可壓縮擾動(dòng)，能夠?qū)⑻?yáng)光球?qū)拥膶?duì)流運(yùn)動(dòng)能量向外傳遞到整個(gè)日球?qū)?。理論認(rèn)為，在由不均勻磁通管組成的等離子體中，唯一純粹的阿爾文波就是扭轉(zhuǎn)型阿爾文波。

過(guò)去，大尺度的阿爾文波曾零星被觀測(cè)到，但日冕中普遍存在的小尺度扭轉(zhuǎn)阿爾文波一直未被證實(shí)。

然而就在最近，一項(xiàng)發(fā)表在《自然·天文》的研究中，天文學(xué)家首次直接觀測(cè)到了日冕中存在小尺度扭轉(zhuǎn)阿爾文波。研究結(jié)果表明，這些波可能攜帶著驅(qū)動(dòng)寧?kù)o太陽(yáng)和太陽(yáng)風(fēng)所需能量的相當(dāng)一部分，這或許是破解日冕高溫與太陽(yáng)風(fēng)加速之謎的重要線(xiàn)索。

已知的扭折波

在太陽(yáng)日冕中，有一種叫“扭折波”（kink waves）的波非常普遍。它會(huì)讓整個(gè)磁力結(jié)構(gòu)左右搖擺，能直接出現(xiàn)在太陽(yáng)觀測(cè)影像中。

不過(guò)，扭折波是否能為日冕提供足夠的能量，目前還沒(méi)有定論。有的研究認(rèn)為，它們攜帶的能量足以驅(qū)動(dòng)寧?kù)o日冕和快速太陽(yáng)風(fēng)；但也有研究指出，它的能量可能只有前者的一半甚至更少。

相比之下，真正能夠高效傳輸能量的阿爾文波更受關(guān)注。但在日冕中尋找它們卻非常困難。過(guò)去，多次聲稱(chēng)“發(fā)現(xiàn)阿爾文波”的觀測(cè)后來(lái)被推翻——被證實(shí)那些其實(shí)是扭折波。

至于相對(duì)可靠的阿爾文波證據(jù)，目前也只是零星地出現(xiàn)過(guò)，而且只在例如爆發(fā)性瞬態(tài)事件（如太陽(yáng)耀斑）中被觀察到。

直接探測(cè)扭轉(zhuǎn)阿爾文波

在新的研究中，研究人員利用丹尼爾·井上建太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡（DKIST）進(jìn)行了前所未有的觀測(cè)。

DKIST擁有4米超大口徑主鏡，能提供目前世界上最清晰的太陽(yáng)觀測(cè)能力。它所配備的低溫近紅外分光偏振計(jì)（Cryo-NIRSP），是目前同類(lèi)中最先進(jìn)的日冕觀測(cè)儀器，能夠觀測(cè)到日冕中極其精細(xì)的細(xì)節(jié)，并對(duì)等離子體運(yùn)動(dòng)變化具有極高的敏感度。

更難得的是，這次的數(shù)據(jù)并不是在它完全投入運(yùn)行后獲得的：在DKIST仍處于測(cè)試階段時(shí)，研究人員便爭(zhēng)取到了寶貴觀測(cè)時(shí)間，利用Cryo-NIRSP追蹤了日冕中被加熱至160萬(wàn)攝氏度的鐵的運(yùn)動(dòng)。

尤為重要的是，研究人員還開(kāi)發(fā)的一整套全新的、用來(lái)從數(shù)據(jù)中區(qū)分不同類(lèi)型的波動(dòng)的分析技術(shù)。研究人員解釋道，日冕中等離子體的運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為搖擺運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)會(huì)掩蓋扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此他們必須開(kāi)發(fā)一種方法來(lái)去除搖擺影響，從而找出扭轉(zhuǎn)信號(hào)。

圖示中內(nèi)嵌的小圖展示了DKIST首次揭示的扭轉(zhuǎn)磁波。這些向上傳播的扭轉(zhuǎn)阿爾文波與其他波共存，可能是解開(kāi)日冕為何如此熾熱的關(guān)鍵機(jī)制之一。（圖/NSF/NSO/AURA/J. Williams）

最終，這項(xiàng)研究終結(jié)了對(duì)日冕中阿爾文波的漫長(zhǎng)尋找：研究人員證實(shí)了日冕中普遍存在小尺度的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且它們與此前已知的扭折波一起同時(shí)出現(xiàn)。

新發(fā)現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)阿爾文波會(huì)引發(fā)磁場(chǎng)的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而這種運(yùn)動(dòng)只能通過(guò)光譜分析來(lái)探測(cè)——即測(cè)量等離子體向地球靠近或遠(yuǎn)離時(shí)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，從而在磁結(jié)構(gòu)的兩側(cè)分別呈現(xiàn)出特征性的藍(lán)移和紅移。

驗(yàn)證太陽(yáng)的能量傳輸機(jī)制

理解太陽(yáng)的這些基本物理過(guò)程，對(duì)空間天氣預(yù)報(bào)具有現(xiàn)實(shí)的重要性。太陽(yáng)風(fēng)可能破壞地球上的衛(wèi)星通信、GPS系統(tǒng)和電網(wǎng)。

此外，這項(xiàng)研究為一系列描述阿爾文波湍流如何為太陽(yáng)大氣供能的理論模型提供了關(guān)鍵驗(yàn)證。有了直接觀測(cè)，科學(xué)家就能夠?qū)⑦@些模型與真實(shí)情況逐一對(duì)照。研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，這一發(fā)現(xiàn)將推動(dòng)進(jìn)一步探索這些波如何在日冕中傳播與耗散能量。

#參考來(lái)源：

https://www.nature.com/articles/s41550-025-02690-9

https://www.northumbria.ac.uk/about-us/news-events/news/alfven-waves/

https://nso.edu/blog/the-suns-atmosphere-pulses-with-hidden-twisting-waves/

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：NSF/NSO/AURA/J. Williams