“誰能想到，在天文愛好者的高清鏡頭下，人類賴以生存的恒星——太陽(yáng)，竟然變成了一只‘毛茸茸的大橘貓’”。這一印象源于一段用超高分辨率望遠(yuǎn)鏡記錄的太陽(yáng)視頻（圖一）：在望遠(yuǎn)鏡的極度放大下，太陽(yáng)展現(xiàn)出了超高清的精細(xì)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)友們紛紛留言：“怎么太陽(yáng)看起來毛茸茸的？”身為太陽(yáng)觀測(cè)員的我，看著這只“巨大橘貓”，決定從評(píng)論區(qū)走向屏幕前，向大家解釋：這層“毛”到底是什么？它是太陽(yáng)毫無意義的視覺噪聲，還是藏著恒星生命力的終極秘密？

圖一 “毛茸茸”的太陽(yáng)，截取自視頻 (https://www.bilibili.com/video/BV1Xi4y1B79C)

一、太陽(yáng)大氣的“皮膚層”：

我們?cè)谀膬嚎簇埫?/strong>

想要摸清這層“貓毛”的底細(xì)，我們得先搞清楚，視頻中捕捉到的畫面到底發(fā)生在太陽(yáng)大氣的哪個(gè)高度？太陽(yáng)的大氣層像洋蔥一樣，由內(nèi)而外分為四層（圖二），包括：光球?qū)?(photosphere)、色球?qū)?(chromosphere)、過渡區(qū) (transition region)、日冕 (corona)。

我們平時(shí)肉眼看到的、明亮平滑且又寧?kù)o的圓盤就是太陽(yáng)的光球?qū)樱憧梢园阉斫鉃樨埖摹捌つw”。而網(wǎng)友們看到的“貓毛”，其實(shí)長(zhǎng)在緊貼皮膚的上一層——色球?qū)印?/p>

而這種“毛茸茸”結(jié)構(gòu)的本質(zhì)就是太陽(yáng)針狀體 (spicule)，是一種動(dòng)態(tài)的等離子體噴流狀結(jié)構(gòu)。它們從色球?qū)痈堪蔚囟穑芨采w幾乎整個(gè)太陽(yáng)色球?qū)�，像密集的雜草叢一樣向上“延伸”，一直延伸到更高的過渡區(qū)，甚至是低日冕。

圖二 太陽(yáng)分層結(jié)構(gòu)，圖源NASA

二、單根“貓毛”的特寫

針狀體是什么？針狀體可以在可見光波段、紫外和極紫外波段被觀測(cè)到，在科學(xué)研究中常用Hα和Ca Ⅱ光譜波長(zhǎng)來觀測(cè)（圖三）。從圖中可以看出，針狀體在太陽(yáng)的邊緣位置非常明顯，像一根根“小刺”密集地向上延伸，如同無數(shù)小小的噴泉，從色球?qū)颖砻鎳娤蛏戏�，像給太陽(yáng)披上了一層輕薄的“毛衣”。單根針狀體的寬度只有數(shù)百公里，高度則可達(dá)數(shù)千到上萬公里。這個(gè)尺度雖遠(yuǎn)小于太陽(yáng)半徑，壽命也僅有幾分鐘，但針狀體數(shù)量卻極其龐大。它們的出現(xiàn)幾乎是天天上演、隨處可見的景象。它們不僅美得迷人，也是太陽(yáng)向日冕輸送物質(zhì)和能量的重要通道，是理解太陽(yáng)大氣動(dòng)態(tài)不可或缺的小精靈。

三、跨越百年的“擼貓”史

由于針狀體可以在可見光波段被觀測(cè)，對(duì)它的研究已有很長(zhǎng)的歷史。針狀體最早是由Secchi在1877年記錄并描述（圖四）。從這份手稿中我們可以看出，太陽(yáng)邊緣一圈這種毛刺狀的結(jié)構(gòu)就是針狀體，也就是我們看到的“毛茸茸”結(jié)構(gòu)。針狀體從色球向上噴出，之后有可能落回太陽(yáng)表面，也有可能在下落前悄然消失。關(guān)于針狀體，科學(xué)家對(duì)其有三種不同的稱呼：針狀體 (spicules)，描述在太陽(yáng)邊緣看到的“小刺”；斑點(diǎn) (mottles)，描述在太陽(yáng)日面 (disk)上看到的類似結(jié)構(gòu)；纖維 (fibrils)，指的是具有更多水平結(jié)構(gòu)的mottles。這三種說法其實(shí)對(duì)應(yīng)的是同一種結(jié)構(gòu)，突出了在不同觀測(cè)視角下的觀測(cè)特征。早期的觀測(cè)之所以困難，是因?yàn)獒槧铙w在日邊以剪影形式出現(xiàn)，因此太陽(yáng)邊緣的針狀體更容易被識(shí)別。但由于其壽命短，當(dāng)針狀體從太陽(yáng)邊緣轉(zhuǎn)到太陽(yáng)背面再轉(zhuǎn)回來時(shí)，磁場(chǎng)位型已經(jīng)發(fā)生很大變化，因此很難追蹤同一個(gè)位置。

近來，許多觀測(cè)工作將針狀體進(jìn)行區(qū)分，分別是I型針狀體和Ⅱ型針狀體（圖五）。I型針狀體廣泛存在于太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)周圍，上升速度為15-40 km/s，壽命為3-10分鐘，一般上升后會(huì)落回到太陽(yáng)表面。Ⅱ型針狀體主要覆蓋在冕洞和寧?kù)o太陽(yáng)區(qū)域，擁有極高的速度 (30-150 km/s)和較短的壽命 (10-150 s)，并且上升后消失，不再落回到太陽(yáng)表面。早期由于時(shí)間和空間分辨率限制，觀測(cè)到的針狀體現(xiàn)象往往更接近后來定義的 II 型針狀體特征。

圖三 Ca II波段下的針狀體，圖源Hinode

圖四 Secchi的太陽(yáng)事件記錄手稿

圖五 兩種類型的針狀體，圖源Pontieu et al., 2009

四、為什么要研究

一只“橘貓”的毛

通過上面的描述，我們初步了解了覆蓋在幾乎整個(gè)太陽(yáng)表面的、不斷噴發(fā)的“小毛刺”就是針狀體結(jié)構(gòu)。對(duì)這些“小毛刺”的研究，已經(jīng)跨越了一百多年的歷史。本文主要從高精度的空間分辨率望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)出發(fā)，帶讀者了解針狀體的基本特征、觀測(cè)歷史以及不同類型等方面的特征。有趣的是，當(dāng)我們用高分辨率仔細(xì)觀察太陽(yáng)色球?qū)訒r(shí)，這顆不斷向地球輸送光和熱的強(qiáng)大存在——太陽(yáng)，居然真的像一只“毛茸茸的大橘貓”！但這種絢麗外表下，其實(shí)隱藏著復(fù)雜而活躍的物理世界：磁場(chǎng)在翻滾、等離子體在噴涌、能量在悄然傳遞，整個(gè)色球?qū)酉褚粡埐粩嗾駝?dòng)的巨大網(wǎng)絡(luò)，維系著太陽(yáng)大氣的動(dòng)態(tài)平衡。

針狀體不僅讓太陽(yáng)看起來有趣，它們還是解釋色球—日冕耦合，包括質(zhì)量傳輸、日冕加熱、小尺度現(xiàn)象的連接等諸多物理問題的關(guān)鍵。隨著觀測(cè)水平和模擬技術(shù)不斷提升，未來或許有更多看似“奇妙”的精細(xì)結(jié)構(gòu)被觀測(cè)到，而它們可能推動(dòng)科學(xué)家解決一個(gè)又一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶?yáng)物理難題。

也正因如此，當(dāng)你在高分辨率圖像中看到這顆“毛茸茸”的太陽(yáng)時(shí)，不要以為那只是視覺效果或噪點(diǎn)——你看到的，是太陽(yáng)大氣中最真實(shí)、最活躍的一層，它在不斷地噴涌、舞動(dòng)、連接著整個(gè)太陽(yáng)的大氣。

來源：石頭科普工作室

編輯：ThymolBlue

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