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太阳的秘密:最可预测的 又是最神秘的

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【太阳耀斑】

太阳是离我们最近的恒星。我们人类对太阳可以说再熟悉不过了。

然而长期以来,天文学家们却一直没有好好地监测过太阳。

因为太阳是一个沸腾的核反应大锅,要揭示它的内部运作机制,曾是一项不可能完成的任务。

当然现在不是了,随着科学技术的进步,科学家们已经有能力去监测太阳了,并建立了一个宇宙探测器“舰队”,每天24小时监测太阳,从各个角度观察它,预测它的下一步行动。

我们对太阳已经有了初步的了解,太阳的秘密正在被慢慢地解开。

2017年9月6日,太阳爆发出一束紫外线和X射线。这束辐射向地球发射过来,我们称之为太阳耀斑。

太阳耀斑的爆发

耀斑是太阳表面的巨大爆炸,同时发射出光线,并烘烤其路径上的任何东西。我们地球基本上就处于这些来自太阳的强大喷发的火线上。

这次耀斑非常强烈,导致地球对日一侧的无线电信号中断,而且非常不巧的是,在这个时候,大西洋上有飓风向加勒比地区逼近。救灾队伍想要去救人,然而他们之间的无线电通讯,大部分时间都中断了。

太空天气和地球天气结合在一起造成了非常大的混乱。为了避免再次发生这样糟糕的情况,科学们需要能够预测太阳接下来会做什么。

2010年2月11日,美国国家航空航天局发射了太阳动力学观测站,简称SDO。它的望远镜可以观测太阳表面爆发出来的耀斑。

探测器一天24小时都在观望,在不断地警惕着太阳表面的耀斑的情况。

通过对太阳表面不断地观察,科学家们了解到,太阳表面会“下雨”。这种“雨”当然不会像地球上的雨,它不是水,而是热的等离子体。

太阳雨

整个太阳不是由固体、液体或气体组成,而是由一种奇怪的第四态物质组成,即等离子体。等离子体是非常热的气体,由于温度太高了,所以它失去了一些电子,变得带电。

等离子体的奇妙之处在于,一旦它带了电荷,就可以用磁场来引导它。

太阳拥有太阳系中最强大的磁场,在整个恒星中盘旋流动。太阳的磁场非常复杂,太阳表面有很多磁力线环。你会看到这些美丽的圆环,这些圆环也告诉你了磁场的位置。

SDO航天器拍摄的太阳降雨视频非常令人震撼,它显示等离子体沿着巨大的环状磁场线流动,这些磁场线,穿透了太阳表面。

因为太阳表面是等离子体,这些磁场环从太阳表面出来,它把等离子体吸上来,然后冷却并落下来,于是就形成等离子体雨。

2017年9月,在破坏性的飓风中期,无线电信号中断前几分钟,我们的太阳观测员发现了太阳表面发生一次爆炸。

通过对这次爆炸的观察,科学家们直观地看到了爆炸产生的机制。

太阳表面的磁环非常不稳定。平时磁环是一个圆形,这种磁通量回路有点像输电的电线。当他们独自运行的时候,一切相安无事。

但如果它们靠得太近,就会发生连接和短路,然后就会产生巨大的高能光爆炸。这种辐射改变了我们星球的大气层,无线电波受到干扰并造成了停电。

太阳耀斑经常发生,它们确实影响着我们,曾经影响过我们,将来也会如此。

【日冕】

但是太阳扭曲的磁场不仅仅破坏了我们的通讯。我们看到耀斑时,我们必须密切注意,因为有时候,还会有更重大的事情发生。

太阳会向整个太阳系发射巨大的等离子体云。所有这些物质都可能会来到地球,把这里弄得一团糟……摧毁我们的电网,摧毁我们的卫星,甚至伤害在轨道上我们的宇航员。

2018年的11月5日,帕克太阳探测器在距离太阳约2400万公里的轨道上运行时,一团等离子体爆炸云团击中了它。

帕克太阳探测器

幸好,帕克太阳探测器在设计之初就考虑到了应对这种情况,探测器被辐射硬化了,所以它幸存了下来。“辐射硬化”是指器件能够在辐射的环境下工作的特性。

这些等离子体爆炸云团的来源就是太阳的日冕。日冕是太阳周围的一个区域,有点像太阳的大气层。你可以把太阳想象成一个气体球,再往外是稀薄的气体,绵延数百万英里。

日冕是一个很难研究的东西,因为太阳的表面太亮了,挡住了我们的视线。我们只有在日全食时才能看到日冕,那时月亮挡住了太阳的强光。

然而,天文学家们却不耐烦了,他们不想等到日全食。因为日全食一年只会发生一两次,所以他们找到了一种制造人造日全食的方法。

很简单,就是在探测器的相机前用一个圆形的圆盘遮蔽眩目的太阳,人为制造出日食,所以有时候,最好的解决方案就是最简单的解决方案。

2012年7月,太阳与日光层观测台探测器(SOHO)发现了一大块日冕,几秒钟前,另一个监测太阳表面的探测器发现了一个明亮的耀斑。

这些事件之间有联系吗?

日冕物质抛射其实就是剧烈的太阳耀斑。如果说太阳耀斑是爆竹的话,那么日冕物质抛射更像是原子弹。如果日冕物质抛射向我们,就会造成严重影响。

它做的第一件事就是压缩地球磁场,这导致磁场重新排列,重新连接,粒子流沿着这些磁场向我们的两极移动。一旦突破了我们地球的磁场防御,日冕物质抛射的粒子就会造成严重破坏。

1972年8月,越南局势高度紧张。当磁性传感器被触发时,二十多个水雷同时引爆,一颗卫星也因为被电磁脉冲击穿而丢失。空军的一个传感器探测到,地球某处发生了类似核爆炸的情况。

科学家们很快找到了真正的罪魁祸首。日冕物质抛射撕裂了地球的磁场并触发了磁传感器。危机很快缓和下来。

【太阳黑子】

太阳是一个巨大的等离子体球体,直径达约139万公里。我们无法阻止它做任何它想做的事。我们能做的就是学会预测将要发生的事情。

科学们在太阳表面发现移动的巨大的黑暗区域,称为太阳黑子。

其实黑子并不“黑”,它只是比它周围的区域暗一点,温度比太阳的光球层表面温度要低1000到2000摄氏度,所以看上去像一些深暗色的斑点。

太阳黑子

1989年3月,一次太阳爆发,导致加拿大全境停电,航天飞机出现故障。11年后,太阳再次发出了强烈的耀斑,并检测到有记录以来最强大的日冕物质抛射。

太阳有一个非常可预测的特性,但实际上又是相当神秘的活动周期。它每11年就会变得非常非常活跃,然后它又回到了平和的状态。

这个11年的周期让天文学家们摸不着头脑。但我们确实知道的一件事是,在剧烈的太阳活动之前,太阳表面似乎会出现暗斑,即太阳黑子。

太阳黑子是太阳表面的大片区域,比地球大得多。是由令人难以置信的强磁场干扰等离子体流动造成的。每过11年,这些黑子的数量就会增加,就像暴风雨前聚集的云一样。

当开始看到越来越多的太阳黑子时,就会看到更强烈更频繁的太阳耀斑。

但是,是什么推动了这11年的周期呢?具有讽刺意味的是,这个太阳最可预测的事情之一,同时也是最神秘的事情。

科学家们一直在为太阳黑子的周期而感到困惑。现在,我们终于有了飞往太阳的宇宙飞船并试图给我们一些答案。

SOHO、SDO和STEREO航天器利用紫外线望远镜监测太阳的大气层。他们发现了穿过太阳的高能紫外线耀斑。这些光波可能与太阳黑子的周期和太阳的爆发有关。

因为我们在太阳表面看到的一切都是由其内部深处的剧烈过程控制的。

太阳是一个非常简单的“洋葱”,最核心的地方是核聚变发生的地方。周围的一层被称为辐射区,大部分能量在这里通过辐射被推出来。

在它的周围是所谓的对流区,那里有大量的羽流和等离子体链,不断地上下移动。但与洋葱不同的是,“洋葱”的层会旋转。

太阳内部有我们从表面看不到的等离子流。太阳内部深处的各层旋转的速度与上面的各层不同。

太阳内部的旋转速度可能是太阳外部的三倍。在太阳的外部,赤道的旋转速度比两极快。

这些等离子体层相互摩擦,产生了太阳强大的磁场,并产生了太阳黑子、等离子体环和太阳耀斑。

这种差速旋转使磁场围绕太阳旋转。所以当磁场扭曲得太厉害时它就开始打结。这些结开始浮上表面,这就是我们所看到的太阳黑子。

一旦磁场开始扭曲和相互作用,它们就能将等离子体引导到巨大的等离子流中,并在太阳表面和太阳表面下方形成环状。

太阳扭曲的磁场

为什么这些事件每11年爆发一次还是个谜,但现在,来自太阳探测器舰队的新观测结果可能会提供触发太阳周期的线索。

通过检测到紫外线的闪烁,发现太阳表面下有巨大的移动磁场,在11年的周期中开始从两极向下移动,并越来越靠近赤道。当磁力线穿过恒星时,它们携带着大量的等离子体。

磁力线对地表下的等离子体起着牧羊人的作用,它们将等离子体推到太阳的赤道。磁场捕获了大量的等离子体,就像大坝后面的水一样,直到最终水闸打开等离子体就会冲出来。

当磁场相遇时,它们会相互抵消,并释放等离子体,等离子体会像海啸一样返回两极。

当等离子体从赤道反弹并击中中纬度两极的磁场时,就会产生巨大的磁场活动引发太阳黑子和太阳循环的磁场活动。

这也解释了11年的周期。我们认为磁场、紫外线闪烁和等离子体之间的这种关系驱动着11年的周期。

目前太阳活动周期已经结束了,但一旦下一次等离子海啸冲过太阳,我们的恒星就会再次启动。在接下来的几年里,我们将开始看到更多的太阳黑子,更多的活动,更多的耀斑。

【太阳风】

我们经常认为太空是空的,但事实上,我们一直沐浴在一股风中,一股时速达百万英里的来自太阳的高能粒子风,即太阳风。

一股被称为质子的亚原子粒子流,不断地从太阳的各个方向流出,并轰击我们太阳系的各个行星。

太阳风使水星的大气层剥离;使金星形成严重的温室效应;也削弱了火星的大气层并最终使火星失去了海洋。火星曾经是宜居的星球,但太阳风很快“解决”了这个问题。

当然我们的地球也受到太阳风的攻击,但是幸好我们有磁场。正是这个磁场将这些带电粒子捕获并将它们引导到地球的两极。这就是极光的由来。

然而关于太阳风还有一个谜:就是它的能量巨大,速度达到了162万公里每小时。

是什么给了它能量?

天文学家认为太阳风的来源在日冕内部,也就是太阳的大气层。然而SOHO的数据显示,在太阳表面附近,风速接近于零!但当太阳风到达日冕外时,它加速到每小时116万公里。

太阳表面和日冕之间发生了一些神秘的事情,给了太阳风一个重击。

为了解开谜团,我们需要访问日冕。

因此,美国国家航空航天局派出了一名“侦察员”,在敌后执行一项大胆的任务。帕克太阳探测器,就是这个胆大妄为的“侦察员”。

它被设计用来向太阳俯冲。这个探测器实际上向太阳的深处潜去,穿过了一些日冕物质。

利用其极紫外望远镜,帕克发现了下方巨大的黑暗区域。有一个非常有趣的区域,叫做日冕洞。在那里你可以看到太阳的更深处。

日冕洞是太阳冠状病毒的区域,那里的大气温度较低,密度也较低。当探测器经过冠状病毒的一个洞时,会受到更大的太阳风。这些日冕洞似乎是太阳风的来源。科学们认为正是通过这些洞,太阳风才能逃离太阳。

但最大的问题是,太阳风是如何加速远离太阳的?

这似乎不合逻辑,你可能会认为,当某物离开源头时,它可能会开始减速,或者至少保持相同的速度。但太阳风却不是这样,它变得更快。

有什么东西在加速太阳风,当它远离太阳表面时,速度会更快,温度也会更高。

帕克太阳探测器在太阳附近潜入……不是去看发生了什么,而是去听。声音这听起来很诡异,令人毛骨悚然。

这些奇怪的声音揭示了太阳风的破坏力。太阳磁场的起伏会产生波动,波动会穿过太阳风的粒子,这些波传播粒子给它们提供能量。

想象一下,一个冲浪者在海浪表面滑行,速度越来越快。这些波可以使太阳风中的粒子从每小时0公里加速到116万公里。这样这些太阳风就有了足够的动量到达太阳系深处。

太阳风传播的距离令人难以置信,在上篇《太阳系的边缘到底在哪儿?答案挺沮丧的》笔者有讲述过。

我们对太阳很熟悉,白天你总能看到它照亮地球,为我们提供热量。太阳塑造了我们的世界,保护我们免受星际空间的危害,它是驱动整个太阳系的引擎。

现在,我们的太阳探测器舰队通过所有不同的波长进行观测,第一次向我们展示了太阳的工作原理。

随着探测的进一步深入,相信我们会揭开越来越多太阳的秘密。而对于我们生命的来源,也终于有了一个了解。

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