五千年華夏文明一直對天文科學進行着不懈探索,《易經》《漢書》等中國古籍保存着關于太陽中存在的黑子世界最早、最系統的記載。如今,随着哈工大(深圳)空間科學與應用技術研究院教授馮學尚與副教授袁丁面向“太陽日冕加熱問題”,利用全球口徑的太陽望遠鏡和高性能計算機模拟手段,提出了太陽等離子體加熱的革新性物理機制,中國人對太陽的研究又更進一步。
發表雜志《自然·天文學》(Nature Astronomy)内頁截圖
5月25日,該成果以“Transverse Oscillations and Energy Source in a Strongly Magnetized Sunspot”《強磁化太陽黑子中的橫模振蕩與能量源》為題發表在《自然·天文學》上,哈工大(深圳)副教授袁丁為第一兼通訊作者,碩士研究生付立博為第二作者,教授馮學尚和博士後Blazej Kuzma為合作作者。記者了解到,這項研究集合了歐洲、美國等多國科學家、科研機構的共同努力。哈工大(深圳)空間科學與應用技術研究院馮學尚教授與袁丁副教授作為課題發起者,承擔了“總設計師”的工作,助人類理解太陽再上台階。
“日冕加熱問題”意義重大
“中國探月工程”已成功從月球帶回了月壤。月亮越來越“近”,那麼太陽呢?哈工大(深圳)空間科學與應用技術研究院副教授袁丁告訴記者,目前人類對太陽的研究仍停留在“初級階段”。“現階段,我們研究太陽主要服務航空宇航、通訊導航等領域。随着數字經濟的發展,人類在太空中的資産越來越多,如空間衛星、空間站、月球(火星)基地,與之相随的是龐大的數字經濟産業鍊。而太陽的活動直接威脅着人類的太空資産。太陽風暴來襲,電力網絡或通訊系統受損,我們将面臨沒有電力、通信、互聯網和社交媒體的生活。”
太陽黑子中本影纖維在強磁區域橫向震蕩,攜帶巨大的能量
太陽是一個由氫組成的氣體球,其能量均來自于太陽内部的核聚變反應——能量由内向外傳輸,從太陽内核到太陽表面(光球層),溫度從1600多萬攝氏度降低到5000多攝氏度。日冕處于光球層之外,距離内核的熱源更遠,其溫度應該更低。但日冕的實際溫度卻高達數百萬攝氏度,比光球層高出1000-10000倍,這就是困擾物理學界百年的難題——太陽日冕加熱問題。太陽日冕加熱問題是太陽研究領域的“顯學”,在2012年被SCIENCE《科學》雜志選為當代天文學的八大未解之謎之一。
哈工大(深圳)空間科學與應用技術研究院副教授袁丁
袁丁本科在哈工大學習光信息科學與技術,在瑞典皇家理工大學取得核能工程碩士,此後又在英國華威大學獲得物理學哲學博士。複合、跨學科的學習經曆,為他後來研究太陽物理打下了紮實基礎。2017年,完成學業後,袁丁來到哈工大(深圳)空間科學與應用技術研究工作。“這是一個諾獎級别的科研主題。” 袁丁說,他長期關注日冕加熱問題:日冕為什麼那麼熱?弄清日冕加熱的原理,将推進“人造太陽”相關科研,人類用上安全、清潔、高效、可持續的“人造太陽”能源或将不再是夢想。科幻小說《三體》描述的未來世界裡,人類造出了可控核聚變裝置——反應爐中燃起的“微型太陽”,消耗少量的燃料就能釋放出巨大的熱量用于發電,這種裝置被稱為“人造太陽”。
古德太陽望遠鏡成“神助攻”
關于日冕加熱問題,科學界有過衆多假設、推想以及研究。馮學尚與袁丁在前人的基礎上又進一步。2018年,袁丁赴美國加州大熊湖天文台開展天文觀測,在那裡找到了破解謎題的“神助攻”——古德太陽望遠鏡。古德太陽望遠鏡口徑為1.6米,是目前世界上正在運營的口徑的太陽望遠鏡,其得天獨厚的觀測台址和強大的觀測儀器設備,為攻克該項極具挑戰的研究課題提供了可能。袁丁利用古德太陽望遠鏡的高時空分辨率觀測資料,發現太陽黑子的強磁場中存在周期性橫向運動,即橫模磁流體波。
美國大熊湖天文台口徑1.6米古德太陽望遠鏡是世界上口徑的現役太陽望遠鏡
袁丁解釋說,太陽黑子是太陽表面溫度的結構,溫度約為4000攝氏度,其上方對應的太陽活動區卻是太陽日冕溫度的區域,約為200萬至2000萬攝氏度,這樣由太陽黑子和活動區組成的磁場和高溫等離子體耦合結構對太陽等離子體加熱的條件更加苛刻,這些特征引起了研究團隊的注意。2018年袁丁在美國加州大熊湖天文台進行天文觀測時,恰逢太陽黑子活躍周期,他發現太陽黑子裡的本影纖維橫向擺動,由此産生出巨大能量。“觀測時機很重要。”袁丁說。機會總是偏愛有準備的頭腦。觀測、查閱數據、提出假想并聯合國際團隊共同研究,最終根據數學建模,計算出太陽黑子的強磁區域(約4000高斯)所需驅動力高出太陽其它區域的100至1000倍,此類運動所攜帶的能量流約為7500000瓦每平方米,隻要千分之一或者萬分之一的能量即可足太陽日冕加熱所需能量流,符合太陽等離子體加熱的要求。
“太陽黑子強磁區域的橫向運動相當于城市中高樓大廈都在橫向擺動,此類運動攜帶了巨大的能量流,隻有強烈的地震可以驅動此類運動。據此可以想象,太陽黑子強磁場的橫向運動攜帶着很高的能量。據團隊估算,該能量流相當于7500部空調全功率炙烤1平方米的面積。”袁丁說。
研究成果引發熱議
談及研究的意義,袁丁稱該研究的突破是探測到比日冕加熱所需能量流強上萬倍的全新能量源,并利用超級計算機模拟重現了該能量源的等離子體加熱效應,開創了日冕加熱的革新性領域。該研究具備解決日冕加熱問題這一百年物理學難題的潛力,有望成為下一代4-8米口徑太陽望遠鏡等大型國際科研設備的重點科學目标。 據了解,論文發表之後,引起了科學界和公衆密切關注。Nature雜志社邀請意大利宇航局科學家Marco Stangalini針對此研究撰寫評述,評價此研究對于日冕加熱理論的突破性貢獻和對于大型地面太陽望遠鏡建設的指導意義。《國家地理》等十幾家國際媒體和科學雜志報道了此項研究。
電視劇《三體》劇照
該研究探測到比日冕加熱所需能量流還強的全新能量源,這不禁誘發聯想——《三體》中的“人造太陽”會否因此更加接近現實?袁丁表示,該成果的确有助于推動“人造太陽”的等離子體加熱技術研發。等離子體加熱是解釋太陽風來源的重要步驟,而太陽風為星際旅行提供了重要的燃料。“當然,無論是‘人造太陽’還是‘星際旅行’,都不太可能在短期内變為現實,但該項研究成果為後續的研究奠定了非常重要的基礎。”袁丁表示,該成果将相關科研的“進度條”往前推動了一步。袁丁同時透露,該團隊将會繼續聚焦日冕加熱領域的科研。“下一步,團隊研究的焦點是太陽黑子的全新能量源是否普遍存在。再往前的目标則是将該理論應用到恒星黑子,利用先進的數學建模和天文設備探索恒星黑子的等離子體加熱機制。”
該項目由馮學尚與袁丁領銜的國際團隊共同完成,研究得到了全球專家學者的支持:碩士研究生付立博和Blazej Kuzma博士後分别參與了天文數據分析和雙流體磁流體數值模拟工作;哈工大(深圳)空間科學與應用技術研究院負責天文實驗設計和天文數據分析工作;新澤西理工大學(大熊湖天文台)承擔古德太陽望遠鏡的天文觀測和數據校準工作;西班牙加納利天文物理研究所承擔斯托克斯光學反演和建模工作;波蘭居裡夫人大學物理學院負責雙流體磁流體數值模拟工作;比利時魯汶大學數學系負責數學建模工作;印度理工學院團隊參與了天文實驗設計和論文寫作相關工作;昆明理工大學信息工程與自動化學院、深圳信息職業技術學院、國家天文台參與了天文數據分析等相關工作。【哈工大(深圳)空間科學與應用技術研究院】
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