最熟悉的陌生人：太陽磁場起源和反向之謎｜賽先生天文

2003年10月28日的太陽超級爆發

太陽是地球居民最熟悉的一顆恆星，她的東升西落，是再平常不過的現象。太陽黑子、耀斑、日冕，也是人們時有耳聞的名詞。然而，天文學家們卻說：No No No，我們並沒有自己想像中那麼了解太陽，她是我們最熟悉的陌生人。

太陽活動時而劇烈時而平靜，背後的原因是什麼？磁向反轉11年掉個個兒，又是怎麼一回事？關於太陽，謎團重重，且聽天文學家怎麼說。

撰文

汪景琇（中國科學院國家天文台）

太陽是離我們最近的恆星，目前大約46億歲；太陽直徑大約是139萬公里，是地球直徑的1百多倍。從化學組成來看，現在太陽質量的大約四分之三是氫，剩下的幾乎都是氦，包括碳、氮、氧、鐵和其他的重元素質量少於2%。目前在太陽核區的氫元素正通過劇烈的核聚形成氦元素，往太空釋放大量的光和熱。

太陽僅是銀河系中數千億顆恆星中毫不起眼的一顆黃矮星。太陽也不位於銀河系的中心（圖1），而是離銀河系中心大約兩萬四千光年。正是普通的太陽孕育了地球上豐富多彩的生命，包括人類。唯其普通才更具普遍意義，對太陽的理解成為人類打開恆星奧秘之門的鑰匙。它也把我們帶入宇宙磁學研究的大門，成為宇宙等離子體研究的最好實驗室。

圖1. 銀河系俯瞰圖： 銀河系有非常複雜的結構，包括中心區域的核球和超大質量黑洞；優美的旋臂上分布著許多分子雲和恆星形成區。太陽位於其中一個旋臂上，離銀河系中心大約兩萬四千光年（圖片來源：www.nature.com/news/galaxy-formation-the-new-milky-way-1.11517）。

儘管看似普通，但是太陽內部的結構相當複雜。通過觀測和理論研究，天文學家得到了一個大致的圖像。圖2顯示了太陽內部的分層結構。位於太陽中心的是產生核聚變的日核和輻射區，而外部是對流層。兩者之間的旋切層被認為是太陽強磁場產生的孕床。對流層頂之上是太陽大氣的光球、色球、過渡區和日冕；發生於其中的最典型的活動對象黑子（圖2左上插圖，包括米粒結構）、日珥和耀斑已在圖中標明（我們將在其他文章中予以介紹）。

圖2. 從太陽內核到輻射區和對流層的分布（已按實際大小等比例縮小）；輻射區和對流層之間的旋切層被認為是太陽強磁場產生的孕床。對流層頂之上是太陽大氣的光球、色球、過渡區和日冕；發生其中的最典型的活動對象黑子、日珥和耀斑已標註圖中。2太陽黑子的發現：從伽利略到黑爾

太陽黑子作為太陽磁場和太陽活動最顯著的標誌，首次被人類通過望遠鏡觀測到，是由伽里略在1610年實現的（中國人2000多年前就有了太陽黑子的書面記錄）。太陽黑子的11年周期，即太陽活動周，由施瓦佈於1843年發現（Schwabe，1844）。然而，直到1908年，黑爾才基於物理學中的Zeeman效應，對太陽黑子做光譜學診斷，發現了太陽黑子的強磁場（Hale, 1908）。這是人類第一次用物理學原理和方法研究天體對象，也是人類第一次在地球之外發現磁場。這一發現標誌著太陽物理學，或確切地說，天體物理學的誕生。黑爾本人創造了英文單詞「Astrophysics」，創辦了著名的天文學期刊The Astrophysical Journal。

人類對太陽的研究要早於其他天體物理對象，許多發現已耳熟能詳。那麼，我們是否可以不必再花時間在太陽研究上了？實際上，太陽物理中還有許多難題，而這些問題對暗弱和遙遠的天體有相當的普遍性，比如說，其中最重要的一個問題就是太陽磁場從何而來？

正是因為磁場的存在才使得太陽產生了多姿多彩的眾多天文現象。磁場和等離子體相互作用，在太陽大氣中產生了美麗繽紛的結構，驅動激烈的活動現象，形成膨脹的高溫日冕和太陽風（圖2）。物理學家萊頓（R. B. Leighton）說過，太陽如果沒有磁場，就會成為一個枯燥的對象。拉莫爾（Larmor, 1919） 是第一個探討太陽的自轉是如何產生磁場的。然而，直到1955年，帕克才從第一原理出發，導出得到一個被稱為發電機方程的基本方程，通過求解解釋了太陽磁場起源和黑子的11年周期等諸多現象（Parker, 1955；圖3）。

圖3. 太陽活動周期：從1980 年（活動極大期）、1986年（接近活動極小期）到1989年（再次接近活動極大期）的太陽磁場強弱的變化：中圖-太陽黑子數變化；上下圖-色球Ha單色像展示的太陽活動水平變化。（圖片來源： NASA）

把這一理論建築在更堅實基礎上的是德國學者（Steenbeck, Krause, Radler 1966），他們通過認知湍動等離子體的統計性質，發展了平均場的磁流體力學理論。在帕克提出發電機方程的同年，貝博庫克父子（Babcock & Babcock，1955）發現了太陽的極區磁場, 即太陽的普遍磁場，通常被稱為極向磁場。太陽活動周被描述成太陽極向磁場與以太陽黑子為代表的環向磁場交替產生循環往複的過程（圖4）。

圖4. 過去三個太陽活動周太陽極向磁場（粗實線和虛線分別描述北極和南極磁場強度的變化）和太陽環向磁場（點線是太陽黑子相對數）的變化。

從太陽磁場演化的觀測分析出發，貝博庫克（1961）和萊頓（1964，1969）提出了磁通量輸運發動機的思想。由於黑子群的前導和後隨極性浮現時，其磁軸對於赤道方向幾乎都有一個傾角，超米粒（圖2左上角插圖中的米粒結構）對流元的隨機遊動和太陽經向環流（meridional flow）會將後隨極性的磁通量向極區輸運，形成新的極向磁場分量。這種從環向磁場產生極向磁場的機制被稱為貝博庫克-萊頓（BL）機制，等效於平均場理論中渦旋對流的a效應，被稱為貝博庫克-萊頓 a效應。

磁通量轉移發電機主導了近十幾年太陽發電機研究的方向。圖5大致描述了磁通量轉移發電機是如何運行的。國家天文台研究員姜傑及其合作者（2016）詳細討論了磁通量輸運發電機中主要的物理過程。

圖5. 磁通量輸運發電機運行示意圖。太陽極向磁場因較差自轉形成太陽環向磁場（第一排）；環向磁場浮現到太陽表面，其磁軸的傾斜提供了新的極向磁場分量（第二排）；通過經向環流和超米粒隨機遊動，環向磁場的後隨分量向極區輸運，形成新的極性相反的極向磁場（第三排），使太陽活動周期得以循環往複（插圖取自Dikpati等，2006）

經過差不多百年的努力，讓我們有了一個理解太陽磁場產生和變化的物理框架。然而，正如美國的科學（Science）雜誌在創刊125周年時指出，人們依然無法按照現有的理論，模擬再現太陽活動的22年磁周期（經過兩個黑子周期（註：兩次反向），太陽極向磁場的極性才得以恢復）：或者其中關鍵的細節依然在我們掌握之外，或者我們需要一個全新的理論從頭來過。太陽活動周的產生機制，因而被選為未來25年人類必須回答的125個重大科學問題之一。除此之外，下面簡單列出有關太陽磁場研究的其它幾個關鍵問題。

現有的理論是針對太陽平均磁場的，無法描述真實磁場的起源和演化。例如，磁通量輸運發電機研究仍限於兩維、軸對稱的情形，描述的是每個太陽自轉周平均磁通量密度隨緯度和時間的演化。人們熟知的太陽強磁場和大耀斑常常出現在特定的「活動經度」或「活動穴」內的事實無法得到解釋（見Berdyugina等，2006）。

4.2 發電機理論的缺陷

現有的研究局限於運動學發電機。對磁場產生起決定性作用的較差自轉（differential rotation）和經向環流，是基於日震學觀測事先給定的。發電機理論中的隨機性和非線性，也是基於活動區觀測經驗引入的（Jiang 等，2015）。我們離建立和求解動力學發電機方程的目標還相距甚遠。

對發電機理論中起決定性作用的磁擴散（Magnetic diffusion）的理解是非物理的。在數值模擬中，磁擴散被簡單地處理成磁通量的代數和相加。不同於灰塵之於大氣、溶質之於溶液的擴散，發電機理論中的磁擴散，有磁拓撲的改變和磁通量的湮滅（比如磁重聯）。磁擴散係數應當由等離子體湍動性質導出和決定。

我們對太陽和恆星中的孟德爾極小現象（Eddy，1976），即在太陽和恆星15-25%的生命周期中，會出現沒有磁場或磁場很弱的現象（圖3和圖4），還沒有一個可靠的理解。我們不但不知道其產生的原因，更不知道「正常」的磁活動如何從幾無黑子的狀態中復甦。圖6描述了2006年開始的太陽活動「巨極小」和「微極大」的罕見情形。有學者懷疑，當前一個新的太陽孟德爾極小期是否正在到來。

圖6. 從2006年開始太陽巨極小和微極大現象：黑子相對數（黑實線）、太陽總輻射（藍色點、實線）、超級太陽活動區（綠色直方圖）和X級強太陽耀斑（紅色直方圖）變化圖示（陳安芹提供）。4.5 太陽內部結構和動力學

對參與太陽發電機過程的太陽內部結構和動力學，我們所知甚少。例如經向環流，只在太陽表面有測量；不止一個經向環流的報道（Zhao 等，2013）對太陽磁通量的產生和輸運提出了新的挑戰。對旋切層（圖2）的性質，也仍在研究中。

5結束語

太陽因磁場的存在而變得絢麗多姿，而太陽磁場變化引起的劇烈活動對地球、行星際和太陽系天體產生的影響更是跨學科的重大科學難題。儘管太陽磁場的研究還有許多問題懸而未決，但它已經為探究宇宙尺度上的磁場起源起到了重要的啟示作用。更多的恆星磁場已被定量測量，銀河系的磁場已被初步成像，對河外星系（圖7）和宇宙早期的磁場研究也是天文學的前沿領域。磁場無疑是天文學裡非常棘手而又引人入勝的最基本問題之一。

圖7. 在旋渦星系M51中的磁場走向，在主星系和子星系間磁場走向出現變化和不連續；白色等高線表示了總的射電強度。右上角標明了9千光年的尺度。（圖片來源：http://www.mpifr-bonn.mpg.de/research/fundamental/cosmag）。

參考文獻

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