你知道吗,太阳上也会下雨?

作者:李彤馨/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2019-04-18

太阳下雨是什么样的?

在太阳系的行星和卫星上,雨有不同的形式。但在太阳上,也是会下雨的,即带电气体从太阳外层大气的巨大磁环中滴落下来。

你知道吗,太阳上也会下雨?

太阳动力学观测站(SDO)在2012年观测到日冕雨。

在太阳系中,雨以各种形式出现——地球上有水,土卫六上有甲烷/乙烷,金星上有硫酸。但你知道太阳也会下雨吗?好吧,某种意义上的雨。巨大的等离子液滴——带电气体——从太阳外层的色球层中的日珥气体柱滴到灼热的表面。这种不寻常的现象被称作为是日冕雨

NASA戈达德太空飞行中心的Emily Mason于2019年4月5日在《天体物理学杂志快报》上的同行评议论文汇中,概述了她是如何在一个意想不到的地方发现日冕雨的证据的。

她首先观察了冕流(盔状流)——数百万英里高的日珥,因其与骑士尖尖的头盔相似而得名——在全日食期间能较明显地观察到。计算机模拟表明,这里是最有可能发生日冕雨的地方。Mason观察了近半年,即使她拥有NASA太空动力学观测站(SDO)所拍摄的照片(该观测站自2012年发射以来,每12秒拍摄一次太阳),但也没有找到任何等离子雨的迹象。

Mason说道:“我查阅了近三到五年的数据。我们花了很长的时间去寻找一些最终没有发生的事情。”

你知道吗,太阳上也会下雨?

冕流,太阳上巨大的等离子气体环。人们原以为会在此处发生日冕雨,但一无所获。 图片来源: Úpice Observatory/Vojtech Rušin (1994)/Miloslav Druckmüller (2007).

那么日冕雨到底在哪里呢。Mason认为它就应该在这里。但随着研究的深入,Mason和她的同学们发现他们找错了方向。日冕雨发生在太阳上一个较小的磁环中。它一直都在那儿,只是没有出现在研究人员们所期望找到它的地方。这一发现有助于帮助科学家们找出太阳日冕的异常加热和慢速的太阳风的原因,这两个问题依然困惑着科学家们。观察发现,这场雨是一系列微小的磁性结构,Mason表示:“它们十分耀眼且一直吸引着我的目光。当我终于看到它们时,我确信它们一次下了几十个小时的雨。”

正如戈达德的太阳物理学家、论文作者之一Spiro Antiochos所解释的那样:“这些环路比起我们找的要小得多。这说明日冕的加热现象比我们想象的要更局部化。可能是日冕雨太小了,以至于看不见,我们真的不知道。”

正如戈达德的一位太阳能科学家Nicholeen Viall所指出的那样,人们花了一段时间才认识到这些结构到底是什么。她在小组会议上说:“我从来没有发现它——我一直在其它结构上找它,但都不是冕流’。然后我说,‘等等,你在哪里看到了它,我想以前从来没有人看到过。’”

你知道吗,太阳上也会下雨?

日冕雨是在较小的磁环中发现的,即最近发现的RNTPs(日冕雨空点拓扑结构)。图片来源: Solar Dynamics Observatory/Emily Mason.

那么这个“雨”是怎么产生的?总体来说,这个过程和在地球上所发生的类似,Mason表示:“但你面对的不是60℃的水,而是百万度的等离子体。

但与水不同的是,等离子体是一种带电气体。它随着太阳表面的凸起喷发,并且非常热——从几千度到180万华氏度(100万摄氏度)。到达日珥的顶端,它会凝结,然后成为日冕雨落回太阳表面。

在地球的水循环中,水在地表蒸发,上升到大气中。然后它会冷却并凝结成云,当云中有足够水分时,它会像雨一样落回到表面。日冕雨是一个类似的过程,只是其本身结构和雨完全不同。

至于帮助解决太阳的一些谜团,日冕雨提供了一些线索。

对慢速太阳风中的气体进行测量——与其他快速移动的太阳风分离——表明它在冷却和离开太阳之前就已经被加热到了极端程度。但这是怎么发生的呢?如果这个过程是在盔状流内发生,那么日冕雨背后的加热和冷却的循环过程就可以解释这一点,但由于日冕雨多数发生在更小的环路中,这个想法还需要进一步的验证。

你知道吗,太阳上也会下雨?

太阳的不同部分图解。图片来源: Astronomy/Roen Kelly.

在早期的理论中,人们认为日冕雨只发生在封闭的环路中,等离子体在那里加热和冷却,但不能逃逸到太空。然而,Mason的研究表明,日冕雨从一个闭环开始,然后切换——通过一个被称为磁重联的过程——转换到一个开放的循环中,就像火车切换轨道。一些等离子体会逸出,但有一些会落回太阳表面。逃离的部分就成为了慢速太阳风的一部分。

还有另一个长期存在的难题,即为什么太阳的外大气层比它的表面热300倍。从表面来看,观察到的事实似乎没有逻辑意义。就像Mason发现的,环路中的降雨可以提供一个临界点,来确定日冕被加热的位置:“如果一个循环上有日冕雨,这就意味着它底部10%或更少的部位是日冕加热发生的地方。”

这些科学家们现在希望NASA的帕克太阳探测器,正在以有史以来离太阳最近的距离飞行——甚至是飞过日冕——这将有助于进一步证明,或否定Mason的发现。

最后,太阳上下雨也许听起来可能是无稽之谈,但这是真的——尽管形式和地球上的不一样——但这有可能帮助解决一些关于太阳如何工作的谜题。


蝌蚪五线谱编译自earthsky,译者 李彤馨,转载须授权

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