圖片來源：SpongeBob SquarePants

撰文 | 不周

審校 | 王昱

你還記得，小時(shí)候拿起畫筆，在紙上畫下的第一個(gè)太陽長什么樣嗎？

畫一個(gè)圓，圓里畫一張笑臉，再用一段段凹曲線將“太陽公公”包裹起來——像一枚著火的荷包蛋。這幅簡筆畫，往往是我們對(duì)太陽的第一印象。我們難以直視高懸于頭頂?shù)墓馇颍绻J(rèn)真看過日落，你可能會(huì)意識(shí)到，小時(shí)候的簡筆畫，似乎只有中間的圓才算寫實(shí)，外面那一圈“刺”，只是對(duì)刺眼光線的一種描繪。

人類總希望離太陽近一些，再近一些，以便更清楚地觀測它，并理解它如何影響我們腳下的地球。于是，我們發(fā)射了堅(jiān)固耐高溫的無人探測器，飛向太陽，以前所未有的清晰度凝視它。透過不同波段的影像中，太陽往往呈現(xiàn)為一個(gè)邊界分明的球體，表面看上去“麻麻賴賴”。這幅畫面很符合我們的直覺：太陽是個(gè)球，表面溫度極高，熾熱的等離子體一直在沸騰翻滾。

圖片來源：NASA

但我們?nèi)庋劭梢姷模⒎翘柕娜?。作為一顆恒星，太陽核心的聚變反應(yīng)持續(xù)向外釋放著巨大的能量，這也是我們?cè)诘厍蛏细惺艿焦馀c熱的源頭。隨著能量從太陽內(nèi)部出發(fā)，穿過稠密的輻射區(qū)和相對(duì)低溫的對(duì)流區(qū)，就抵達(dá)了太陽外層——光球?qū)?。光球?qū)硬皇且粚庸腆w殼，而是一層薄薄的發(fā)光區(qū)域，僅有約500千米厚。

從這里開始，可見光開始能相對(duì)自由地逃離太陽，也就形成了我們所能看到的太陽表面。光球?qū)釉诳梢姽獠ǘ翁^明亮，導(dǎo)致更外層、更稀薄黯淡的色球?qū)雍腿彰釒缀跞庋鄄豢梢?，只有借助專業(yè)的觀測設(shè)備，或者在全日食短暫的幾分鐘，才可能窺見其像火焰般的真面目。

但太陽物理學(xué)家知道，在太陽沸騰的火焰之外，還藏著一個(gè)隱匿的、更難被察覺的物理邊界——阿爾文表面（Alfvén surface）。由于這個(gè)邊界太稀薄、太動(dòng)態(tài)，完全無法像光球那樣拍成清晰的照片。在很長一段時(shí)間以來，太陽物理學(xué)家只能通過理論模型猜測它距離太陽有多遠(yuǎn)，形狀什么樣，又如何隨太陽活動(dòng)變化。

直到近些年，一些太陽探測器有了“貼臉”飛行的可能，科學(xué)家才終于“看見”這條物理邊界。據(jù)2025年12月發(fā)表于《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》（

Astrophysical Journal Letters

影響的邊界

要理解這一河豚形態(tài)的隱形邊界，我們得先觀察稀薄、溫度卻高達(dá)上百萬攝氏度的日冕。在如此高溫之下，等離子體并不會(huì)安分地待在日冕中——高速運(yùn)動(dòng)的粒子時(shí)刻渴望擺脫太陽的引力束縛，飛入星際空間。也因此，如果將視野拉到更遠(yuǎn)處，你發(fā)現(xiàn)日冕外層的確會(huì)持續(xù)向外膨脹，一股股帶電粒子構(gòu)成的稀薄氣流，像漏氣一樣，源源不斷地從日冕各處以每小時(shí)數(shù)百千米的速度吹向星際空間——這就是太陽風(fēng)，也是引起極光、地磁暴等現(xiàn)象的源頭。

但帶電粒子逃離日冕并不是一個(gè)輕松的過程。太陽磁場極為強(qiáng)大，像無形的韁繩一般，試圖控制身邊所有的帶電等離子體。因此在離太陽較近的地方，太陽風(fēng)的速度并沒有那么高，磁場擾動(dòng)沿著磁力線傳播的速度通常更高——這種特征速度也被稱為阿爾文速度，由瑞典物理學(xué)家漢尼斯·阿爾文 (Hannes Alfvén)于1942年首次提出。

圖片來源：NASA

阿爾文在研究宇宙中的等離子體時(shí)，意識(shí)到在導(dǎo)電流體與磁場共同作用下，磁場并非此前認(rèn)為的靜止背景，而是像彈簧一樣能被“扯動(dòng)”的介質(zhì)。也就說，太空并不是真空一般的死寂，而是充滿了會(huì)傳遞信息的磁場的波動(dòng)。隨著空間探測時(shí)代的到來，人類將探測器送入行星磁層，真實(shí)探測到了等離子體與磁場糾纏的行為，才證實(shí)了阿爾文的推測，也讓他獲得了1970年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

阿爾文速度本質(zhì)上代表著太陽影響力的傳播速度。在一定范圍內(nèi)，太陽風(fēng)外層的任何擾動(dòng)和信息都能通過磁場向內(nèi)傳回給太陽，太陽依然對(duì)太陽風(fēng)具有“控制權(quán)”。但隨著太陽風(fēng)越跑越遠(yuǎn)，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)臨界點(diǎn)——當(dāng)太陽風(fēng)外流的速度增長到與阿爾文速度相當(dāng)，甚至超過它時(shí)，擾動(dòng)便再難傳回太陽，擾動(dòng)信息也會(huì)被太陽風(fēng)單向帶走。而決定太陽風(fēng)“自由”與否的邊界，正是阿爾文表面。邊界以內(nèi)，太陽風(fēng)尚未完全掙脫控制；邊界以外，則是太陽風(fēng)掙脫磁力線，脫韁而去，無法回頭的區(qū)域。

飛入母星勢力范圍

理解阿爾文表面，本質(zhì)上是在探尋太陽如何掌控它的“領(lǐng)土”。對(duì)于太陽物理學(xué)家而言，阿爾文表面內(nèi)是太陽的日冕活動(dòng)，而當(dāng)帶電粒子運(yùn)動(dòng)到阿爾文表面外，就變成了名為太陽風(fēng)的行星際現(xiàn)象。阿爾文表面牽扯著太陽如何通過太陽風(fēng)損失角動(dòng)量——這直接關(guān)系到太陽自轉(zhuǎn)減速的過程，乃至它的整體壽命如何演化。而當(dāng)它的范圍擴(kuò)大時(shí)，意味著太陽風(fēng)能帶走更多的粒子；而當(dāng)它的形狀變得更粗糙，更不規(guī)則，也意味著太陽風(fēng)在不同位置和時(shí)間上更難預(yù)測。這些變化都與地球軌道上的空間天氣息息相關(guān)。

然而，望遠(yuǎn)鏡能看清光球與日冕的輪廓，卻很難直接拍攝太陽風(fēng)速度的邊界；大多數(shù)探測器距離太陽又太過遙遠(yuǎn)，只能測量到太陽風(fēng)外側(cè)的數(shù)據(jù)。太陽物理學(xué)家只能借助徑向縮放模型（通過遠(yuǎn)處太陽風(fēng)參數(shù)倒推計(jì)算）和全球日冕模型（計(jì)算機(jī)模型日冕-太陽風(fēng)范圍估算），推測阿爾文表面落在10~20個(gè)太陽半徑范圍內(nèi)，并假定它大致是一個(gè)相對(duì)規(guī)整的圓球。但它究竟多光滑，還是布滿褶皺？是否會(huì)隨太陽活動(dòng)周期變化？這些關(guān)鍵的細(xì)節(jié)都需要依靠實(shí)地測量。

圖片來源：NASA

2021年，美國航空航天局（NASA）的帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）肩負(fù)著“觸摸太陽”的使命，首次飛越日冕，并記錄了其中的粒子與磁場數(shù)據(jù)。帕克第一次飛越日冕，在大約19.8個(gè)太陽半徑處（距離太陽表面約1300萬千米），捕捉到粒子速度低于阿爾文速度的關(guān)鍵信號(hào)，觸及了阿爾文邊界的上沿。不過當(dāng)時(shí)帕克只是短暫地切入其中，很快便飛越出來。隨著它每次繞太陽運(yùn)行，軌道越發(fā)靠近太陽，也越來越頻繁地潛入阿爾文表面以下，帶回了更多的數(shù)據(jù)，科學(xué)家也得以接近阿爾文表面的真相。

原來是炸毛河豚呀

對(duì)太陽物理學(xué)家而言，帕克探測器在阿爾文表面內(nèi)外穿梭幾次的數(shù)據(jù)，并不足以還原邊界的全貌。除了近距離、離散地采集數(shù)據(jù)，也需要遠(yuǎn)處探測器提供的全局視角。美國哈佛-史密森尼天體物理學(xué)中心的太陽物理學(xué)家薩姆·巴德曼（Sam Badman，這項(xiàng)研究的第一作者）整合了帕克太陽探測器、太陽軌道飛行器（Solar Orbiter）以及位于地球軌道附近第一拉格朗日點(diǎn)（L1）的多臺(tái)監(jiān)測衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集的時(shí)間尺度覆蓋了2018年10月至2025年4月，從太陽活動(dòng)最少的太陽極小期到太陽極大期的全過程；空間尺度也橫跨了0.045天文單位（au，日地平均距離，約1.5億千米）到1天文單位。

巴德曼和同事并不只想要知道阿爾文表面的平均距離，更想要描繪它的幾何形態(tài)，同時(shí)追蹤它在半個(gè)太陽活動(dòng)周期內(nèi)的起伏與變形。為此，他們開發(fā)了一套全新的物理算法。此前的阿爾文表面推算模型，通常假設(shè)太陽風(fēng)勻速向外吹。但這種方法往往低估了太陽風(fēng)在靠近太陽區(qū)域的持續(xù)加速過程，這就導(dǎo)致此前推算出的邊界比實(shí)際位置地約1.5~2.5個(gè)太陽半徑。通過修正太陽風(fēng)的加速曲線，比對(duì)近日點(diǎn)與遠(yuǎn)日點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，阿爾文表面的地圖也逐漸清晰地顯現(xiàn)出來。

圖片來源：原論文

隨著太陽從2019年前后的極小期逐漸步入2024-2025年的極大期，阿爾文表面的平均高度，從最初約12～17個(gè)太陽半徑，一路擴(kuò)張到現(xiàn)在約15～23個(gè)太陽半徑。在太陽極小期時(shí)，由于太陽相對(duì)“平和”，阿爾文表面的確如科學(xué)家想的那樣，形狀相對(duì)圓潤；但當(dāng)太陽步入極大期，在膨脹之余，原本還算規(guī)整的邊界也布滿了無數(shù)向外突出的“尖刺”，大大增加了阿爾文表面的“非球性”，而這種不規(guī)則程度還會(huì)隨太陽黑子的數(shù)量增長同步劇增。研究人員推測，這些尖刺可能來自太陽極大期頻繁爆發(fā)的日冕物質(zhì)拋射（CME），它們可能在太陽風(fēng)中留下了持久的影響，導(dǎo)致”河豚“有時(shí)會(huì)突然豎起尖刺。

對(duì)于太陽而言，阿爾文表面的每一次“炸毛”都伴隨著巨大的能量交換。盡管從太陽極小期到極大期，阿爾文表面的平均半徑只增加了約30%，但由于角動(dòng)量損失與半徑的平方成正比，這意味著太陽在極大期損失旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的速度幾乎翻了一倍，就像猛踩了一腳剎車一樣。了解太陽的阿爾文表面，或許能幫我們更好地理解太陽這類恒星如何隨時(shí)間流逝，自轉(zhuǎn)速度逐漸減慢，也為我們理解其他遙遠(yuǎn)恒星的演化提供了參考。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)可能也對(duì)理解太陽系外的行星具有重要意義。一些行星緊鄰其恒星運(yùn)行，其中一些恒星的磁場活動(dòng)遠(yuǎn)強(qiáng)于太陽，導(dǎo)致其阿爾文表面延伸得更遠(yuǎn)。如果一顆行星近距離圍繞活躍的恒星運(yùn)行，那么它整個(gè)生命周期可能都會(huì)處于阿爾文表面以內(nèi)，“這對(duì)居住環(huán)境來說，可能不是好消息，”巴德曼在接受

ScienceNews

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae0e5c

https://www.sciencenews.org/article/sun-outer-boundary-map-nasa-solar-probe

https://en.wikipedia.org/wiki/Alfv%C3%A9n_surface

https://en.wikipedia.org/wiki/Alfv%C3%A9n_wave

https://svs.gsfc.nasa.gov/4958/

https://en.wikipedia.org/wiki/Hannes_Alfv%C3%A9n

https://science.nasa.gov/mission/parker-solar-probe/

https://science.nasa.gov/sun/what-is-the-solar-wind/

本文來自微信公眾號(hào)“環(huán)球科學(xué)”。如需轉(zhuǎn)載，請(qǐng)?jiān)凇碍h(huán)球科學(xué)”后臺(tái)回復(fù)“轉(zhuǎn)載”，還可通過公眾號(hào)菜單、發(fā)送郵件到newmedia@huanqiukexue.com與我們?nèi)〉寐?lián)系。相關(guān)內(nèi)容禁止用于營銷宣傳。

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