天文学家:为什么最外层的日冕比太阳表面的温度更高?(天文学家为什么算的那么准)

人类第一次拍到离太阳最近的照片，在离太阳表面7700万公里的地方，微。

近距离拍摄太阳：微小的耀斑在狂舞。|ESA

作者 | 陈天真

7月16日，欧洲航天局（ESA）和美国航天局（NASA）合作的太阳轨道飞机发布了一张最新的照片。照片中，太阳的日冕充满了成千上万的微斑，就像一堆营火在狂舞，被科学家形象地称为“营火”（campfire）。

这是人类迄今为止拍摄的最接近太阳的照片，距离太阳表面只有7700万公里，大约是地球到太阳的一半。

丹尼尔是参与这项任务的科学家·穆勒（Daniel Muller）兴奋地说：“我们从来没有用相机如此接近太阳，这只是太阳轨道飞机漫长史诗之旅的开始。”

拍摄太阳最近距离的照片

希腊神话中，能工巧匠戴达洛斯以蜡结合鸟羽做成翅膀，携儿子伊卡洛斯一起飞离克里特岛。伊卡洛斯兴奋地朝向太阳飞去，越飞越高，竟被太阳融化双翼，跌落水中丧生。

太阳的高温一直是我们日复一日的障碍。作为人类最熟悉的天体，各种古籍只描述太阳“大火球”。可以想象，这颗太阳卫星为了抵御太阳的热量，必然经历了极端的考验。

太阳轨道飞机于今年2月10日起飞，其大部分设备安装在一层40厘米厚的金属钛保温罩后面，以保护飞机和上述仪器免受太阳热的伤害。经过测试，它能抵抗500摄氏度的高温，并能承受卫星在地球轨道上体验的13倍的太阳热。

虽然隔热罩的前端在靠近太阳时会承受剧烈的高温，但由于其屏蔽作用，后面的仪器将保持在50摄氏度的凉爽环境中。

飞机上有6台遥感器和望远镜，用于拍摄太阳的表面特征和周围环境，以及安装在飞机上的4台原位仪器，以监测周围环境，如太阳风的活动、带电粒子流的运动等。结合这两种仪器的数据，科学家们可以拼凑出更完整的太阳和各种太阳活动的图像。

事实上，美国宇航局于2018年发射“帕克太阳探测器”你可以到达离太阳更近的地方——在整个任务期间，它将达到离太阳表面620万公里的距离.04个天文单位，地球到太阳的距离是一个天文单位)，但是因为离太阳这么近，周围环境太差，它没有携带面向太阳的相机。

此外，虽然位于夏威夷岛的太阳望远镜可以拍摄更高分辨率的太阳照片，但由于地球大气会过滤掉一些紫外线和X射线，这些照片并不能完全捕捉太阳的光线。

太阳表面被称为“营火”微小耀斑。| Solar Orbiter/EUITeam/ESA & NASA; CSL, IAS, MPS, PMOD/WRC, ROB, UCL/MSSL

太阳表面的新景观

2020年5月30日，当太阳轨道飞机运行到最近的点，即椭圆轨道上最接近太阳的地方时，上面的极紫外线成像仪（EUI）拍摄了太阳的第一张照片。此时距太阳表面仅7700万公里(00.5个天文单位)，大约是地球到太阳的一半。

从地球上看，太阳似乎很平静，但当我们仔细观察时，我们可以看到太阳的表面到处都是微小的斑点。这些微型斑点的大小只有地球上可见的太阳斑的百万分之一甚至数亿分之一。

新发现的微小营火(白色箭头)被太阳轨道飞机拍摄，作为比较，左下角的圆圈表示地球的大小。| Solar Orbiter/EUI Team/ESA & NASA; CSL, IAS, MPS, PMOD/WRC,ROB, UCL/MSSL

耀斑是太阳表面突然产生的明亮爆发，被认为是由太阳磁场相互作用引起的高能喷发。虽然科学家们不知道这些微型耀斑是地球上更大的微型版本，或者是由完全不同的机制产生的，但他们认为有这么多“营火”整体效果的结合可能会导致日冕如此燃烧。

日冕是太阳大气的最外层。长期以来，有一个问题困扰着天文学家：为什么最外层的日冕比太阳表面的温度更高？你知道，太阳表面的温度大约是“只有”5500摄氏度，但外层日冕的温度却达到了惊人的100万摄氏度，是太阳表面温度的数百倍。

经过几十年的研究，我们仍然没有完全理解这一奇怪现象背后的物理机制，这已经成为太阳物理学“圣杯”。要彻底解决这个问题可能很早，但科学家们希望太阳轨道飞机能帮助我们进一步回答这个问题。

太阳射层、对流层、光球层和大气层外，太阳核心的温度可达1500万摄氏度。光球层是人类肉眼可见的太阳表面，只有到了光球层，太阳才能发出明亮的可见光。光球层上寒冷黑暗的区域是我们熟悉的太阳黑子。太阳的大气层(含色球层)在光球层外，日冕是太阳大气的最外层。|umich.edu

探索太阳磁场和太阳活动

未来两年，太阳轨道飞机将飞往离太阳更近的地方，最近将飞往离太阳表面4200万公里(0.从太阳到地球的距离几乎是28个天文单位的四分之一。

此后，科学家们将进一步利用金星的引力将飞机的轨道角度提升到椭圆轨道平面上方，最大倾角可达33度，这将使飞机飞向太阳，探索太阳的两极。（欧洲宇航局和美国宇航局的尤利西斯飞船在20世纪90年代和21世纪初两次飞越太阳的两极，但当时它没有携带相机。

观察太阳的两极将帮助我们更好地了解太阳的周期性磁场活动。太阳磁场的南北两极每11年反转一次。这是我们看到的所有太阳活动的根本原因：驱动11年的太阳黑子周期，释放暴力的太阳风，也主导着太阳的大气活动。此外，太阳表面磁场特别强的区域也是耀斑的诞生地。

物理学家费曼喜欢描绘太阳磁场复杂、扭曲和时间密集的线条。他对太阳磁场如何影响耀斑感到惊讶，并把磁场线描述成一个有点像女孩飘动的头发。费曼研究了太阳磁场的生成机制，但直到今天，我们仍然对如何从太阳中产生磁场知之甚少。

太阳轨道飞机携带尖端仪器——偏振和日震成像仪（PHI），设计用于监测太阳表面磁场活跃的区域，高分辨率测量磁场，利用日振学原理研究太阳内部。

太阳轨道飞机观测到的太阳磁场。| Solar Orbiter/PHI Team/ESA & NASA

太阳风是太阳向空间各个方向发射的持续带电粒子流。这些粒子有时来自外层的日冕，有时来自靠近光球层的地方。它们沿着太阳的磁线移动，每秒可以达到300~800公里。为什么这些带电粒子能加速到如此高的速度是太阳的另一个谜个过程显然与日冕中的磁场有关，但具体机制仍有待研究。

当太阳风穿过太阳轨道飞机时，其上四个原位仪器会记录磁场和太阳风。根据这些信息，我们可以估计太阳风是从太阳的特定部分产生的。如果我们进一步整合六个成像仪器中看到的太阳活动，我们可能会更清楚地理解太阳表面不同区域的物理过程是如何共同工作的，导致太阳风的形成。

太阳物理的黄金时代即将到来

作为一个小地球人，我们很难确切地意识到太阳是什么样的庞然大物。从数据的角度来看，太阳的直径约为地球的109倍，质量相当于33万个地球。我们甚至可以轻松地将130万个地球装入太阳。但今天，小人类第一次如此近距离地看到巨大的太阳。

未来十年，太阳轨道飞机将与帕克太阳探测器和夏威夷岛的太阳望远镜一起观察太阳，探索许多未解之谜，如：

太阳内部的磁场是如何产生的？

太阳风的驱动力是什么？

太阳的磁场大约每隔11年发生一次反转，这时太阳的两极在发生什么？

耀斑、日冕物质抛射等太阳活动如何影响整个太阳系？

太阳爆发产生的高能粒子如何导致地球极端天气？

太阳轨道飞机(左)和帕克太阳探测器(右)将同时观测太阳。|SolarOrbiter: ESA/ATG medialab; Parker Solar Probe: NASA/Johns Hopkins APL