天文
科学家解开了太阳针状体之谜
在任何给定时刻，太阳表面都会发生多达1千万次的强劲物质喷射。喷射速度可达60英里每秒，在溃散之前可远达6000英里。这就是针状体，虽然像杂草那么多，但科学家无法理解他们怎么形成的。现在，一个详细到运行了一整年的计算机模拟首次演示了针状体的形成，帮助科学家理解针状体是如何从太阳表面分离出来并飙升得如此迅速的。
这一工作依赖于NASA的太阳过渡层成像光谱仪卫星(IRIS)和位于拉帕尔马的瑞典1米太阳望远镜的观测。飞船和望远镜一起对太阳大气层的底层进行了观测，即太阳过渡层，也就是针状体形成的地方。这一NASA赞助的研究成果已发表在6月22日的科学杂志上，这也正是IRIS庆祝在太空的四周年之期(6月26日)。
credit: 煎蛋画师六翼
研究作者之一、加州帕洛阿尔托洛克希德马丁太阳和天体物理实验室的IRIS科学领导Bart De Pontieu说道：“我们的研究利用了数值模型和观测。我们比较观测和模型，以确定我们模型的性能如何，当发现重大差异时就改进模型。”
对于想理解太阳材料和能量是如何穿过并远离太阳表面的科学家而言，观测针状体一直都是一个棘手的问题。针状体是瞬变现象，形成和崩溃的历程也只有5到10分钟。这些纤细的结构也很难从地球上进行研究，地球大气会模糊望远镜的视野。
一个科学家团队研究这种特定的模型已经近10年了，不断尝试创造一个能形成针状体的版本。早先版本的模型将太阳过渡层，即底层太阳大气，视为带电粒子的炙热气体，或者更技术地讲，完全电离等离子体。但科学家们知道肯定遗漏了什么，因为他们在模拟中从未见过针状体。
科学家认识到关键在于中性粒子。他们受到地球自身电离层的启发，即高层大气中中性和带电粒子相互作用，形成众多动态过程的区域。
研究团队知道在太阳的温度较低的区域，比如过渡层，不是所有气体粒子都是带电的。某些粒子是中性的，而中性粒子不会像带电粒子那样受到磁场的作用。科学家先前的模型基于完全电离等离子体是为了简化问题。的确，包含必须的中性粒子计算代价很大，最终的模型花了约一年在硅谷的NASA艾姆斯研究中心的昴宿星超级计算机上运行。
Credit: NASA IRIS spectrograph
模型开始于等离子体在太阳大气中移动的基础理解。物质在太阳中不断对流或者沸腾，产生紊乱磁场岛。当沸腾携带物质上升到表面并进一步进入太阳底层大气中，磁场线迅速回退消解张力，驱逐等离子体和能量。由此诞生了针状体。但解释这些复杂磁力结的产生与崩解则是比较困难的部分。
研究第一作者、洛克希德马丁和加州索诺玛海湾地区环境研究所的太阳物理学家Juan Martínez-Sykora说道：“一般磁场与带电粒子密切耦合。如果模型中只有带电粒子，磁场就会卡住，无法在太阳表面之外出现。当我们增加中性粒子，磁场就能自由移动了。”
Credit: Swedish 1-m Solar Telescope at the Roque de los Muchachos (La Palma, Spain)
中性粒子为磁场能量结提供了浮力，使其能上升通过太阳的沸腾等离子体，抵达色球层。在那里，他们折断为针状体，释放出等离子体和能量。离子和中性粒子之间的摩擦进一步加热了等离子体，不管是针状体内部还是周围。
有了这个新模型，这个模拟终于能与IRIS和瑞典太阳望远镜的观测相匹配了：针状体自然且频繁地发生。这个开发数值模型的10年工作赢得了两名科学家Mats Carlsson和Viggo H. Hansteen，都是来自挪威奥斯陆大学的研究作者。
科学家更新后的模型揭示了某些关于能量在太阳大气中的移动方式的其他知识。这种鞭子似的过程被证实也会自然产生阿尔文波。阿尔文波是一种强力的磁波，科学家怀疑是加热太阳大气、推动太阳风的关键。
De Pontieu说道：“这一模型回答了我们长久以来的大量问题。我们基于高分辨率观测逐渐增加数值模型的物理复杂性，并且也的确成功了。”
这一模拟表明针状体能不断迫出等离子体并产生如此多涵盖太阳整个表面的阿尔文波，在激励太阳大气方面具有重要作用。
位于马里兰格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心IRIS任务科学家Adrian Daw说道：“这在我们对何种过程能激励太阳大气方面是一项重大进步，利用更多的细节为研究者确定针状体的作用奠定了基础。值此发射周年庆前夕，这真是一个非常棒的成果。”
论文原文：DOI: 10.1126/science.aah5412