阿爾文波假說

日冕是太陽大氣的最外層，其溫度可高達(dá)上百萬攝氏度，會釋放出強(qiáng)烈的X射線和極紫外輻射，深刻影響著行星大氣的動力學(xué)與演化。與此同時(shí)，日冕中被加熱的等離子體會被加速向外噴發(fā)，形成太陽風(fēng)。

一直以來，天文學(xué)家還沒有搞清楚：為什么日冕的溫度如此之高？又是什么力量在驅(qū)動太陽風(fēng)席卷整個太陽系？

一種極具潛力的解釋是阿爾文波（Alfvén wave），這是一類磁場的不可壓縮擾動，能夠?qū)⑻柟馇驅(qū)拥膶α鬟\(yùn)動能量向外傳遞到整個日球?qū)?。理論認(rèn)為，在由不均勻磁通管組成的等離子體中，唯一純粹的阿爾文波就是扭轉(zhuǎn)型阿爾文波。

過去，大尺度的阿爾文波曾零星被觀測到，但日冕中普遍存在的小尺度扭轉(zhuǎn)阿爾文波一直未被證實(shí)。

然而就在最近，一項(xiàng)發(fā)表在《自然·天文》的研究中，天文學(xué)家首次直接觀測到了日冕中存在小尺度扭轉(zhuǎn)阿爾文波。研究結(jié)果表明，這些波可能攜帶著驅(qū)動寧靜太陽和太陽風(fēng)所需能量的相當(dāng)一部分，這或許是破解日冕高溫與太陽風(fēng)加速之謎的重要線索。

已知的扭折波

在太陽日冕中，有一種叫“扭折波”（kink waves）的波非常普遍。它會讓整個磁力結(jié)構(gòu)左右搖擺，能直接出現(xiàn)在太陽觀測影像中。

不過，扭折波是否能為日冕提供足夠的能量，目前還沒有定論。有的研究認(rèn)為，它們攜帶的能量足以驅(qū)動寧靜日冕和快速太陽風(fēng)；但也有研究指出，它的能量可能只有前者的一半甚至更少。

相比之下，真正能夠高效傳輸能量的阿爾文波更受關(guān)注。但在日冕中尋找它們卻非常困難。過去，多次聲稱“發(fā)現(xiàn)阿爾文波”的觀測后來被推翻——被證實(shí)那些其實(shí)是扭折波。

至于相對可靠的阿爾文波證據(jù)，目前也只是零星地出現(xiàn)過，而且只在例如爆發(fā)性瞬態(tài)事件（如太陽耀斑）中被觀察到。

直接探測扭轉(zhuǎn)阿爾文波

在新的研究中，研究人員利用丹尼爾·井上建太陽望遠(yuǎn)鏡（DKIST）進(jìn)行了前所未有的觀測。

DKIST擁有4米超大口徑主鏡，能提供目前世界上最清晰的太陽觀測能力。它所配備的低溫近紅外分光偏振計(jì)（Cryo-NIRSP），是目前同類中最先進(jìn)的日冕觀測儀器，能夠觀測到日冕中極其精細(xì)的細(xì)節(jié)，并對等離子體運(yùn)動變化具有極高的敏感度。

更難得的是，這次的數(shù)據(jù)并不是在它完全投入運(yùn)行后獲得的：在DKIST仍處于測試階段時(shí)，研究人員便爭取到了寶貴觀測時(shí)間，利用Cryo-NIRSP追蹤了日冕中被加熱至160萬攝氏度的鐵的運(yùn)動。

尤為重要的是，研究人員還開發(fā)的一整套全新的、用來從數(shù)據(jù)中區(qū)分不同類型的波動的分析技術(shù)。研究人員解釋道，日冕中等離子體的運(yùn)動主要表現(xiàn)為搖擺運(yùn)動，這些運(yùn)動會掩蓋扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。因此他們必須開發(fā)一種方法來去除搖擺影響，從而找出扭轉(zhuǎn)信號。

圖示中內(nèi)嵌的小圖展示了DKIST首次揭示的扭轉(zhuǎn)磁波。這些向上傳播的扭轉(zhuǎn)阿爾文波與其他波共存，可能是解開日冕為何如此熾熱的關(guān)鍵機(jī)制之一。（圖/NSF/NSO/AURA/J. Williams）

最終，這項(xiàng)研究終結(jié)了對日冕中阿爾文波的漫長尋找：研究人員證實(shí)了日冕中普遍存在小尺度的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，并且它們與此前已知的扭折波一起同時(shí)出現(xiàn)。

新發(fā)現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)阿爾文波會引發(fā)磁場的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，而這種運(yùn)動只能通過光譜分析來探測——即測量等離子體向地球靠近或遠(yuǎn)離時(shí)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，從而在磁結(jié)構(gòu)的兩側(cè)分別呈現(xiàn)出特征性的藍(lán)移和紅移。

驗(yàn)證太陽的能量傳輸機(jī)制

理解太陽的這些基本物理過程，對空間天氣預(yù)報(bào)具有現(xiàn)實(shí)的重要性。太陽風(fēng)可能破壞地球上的衛(wèi)星通信、GPS系統(tǒng)和電網(wǎng)。

此外，這項(xiàng)研究為一系列描述阿爾文波湍流如何為太陽大氣供能的理論模型提供了關(guān)鍵驗(yàn)證。有了直接觀測，科學(xué)家就能夠?qū)⑦@些模型與真實(shí)情況逐一對照。研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，這一發(fā)現(xiàn)將推動進(jìn)一步探索這些波如何在日冕中傳播與耗散能量。

#參考來源：

https://www.nature.com/articles/s41550-025-02690-9

https://www.northumbria.ac.uk/about-us/news-events/news/alfven-waves/

https://nso.edu/blog/the-suns-atmosphere-pulses-with-hidden-twisting-waves/

#圖片來源：

封面圖&首圖：NSF/NSO/AURA/J. Williams