天文学家可能已经在太阳上发现了纳米耀斑–预测在48年之前解决一个重大谜团

研究人员可能已经发现了人们期待已久的“纳诺法莱斯”思想，可以将日冕加热到令人难以置信的温度。

在《自然天文学》上发表的一项新研究标志着研究人员首次捕获了假定的纳米耀斑的整个生命周期-从明亮的起源到起泡的消亡。

迷你耀斑大难题

纳米耀斑是太阳上的微小喷发，是正常太阳耀斑的十亿分之一。派克太阳能探测器公司的成名者尤金·派克（Eugene Parker）于1972年首次对它们进行了预测，以解决一个主要难题：日冕加热问题。

这就是太阳的外部大气或日冕如何变得如此炽热的奥秘。尽管离太阳芯较远，但比其下方的层高出数百万度。

近50年后，日冕加热问题仍未解决。很难确认任何几种不同的理论，部分原因是没有人真正看到过纳米火炬。

日冕加热问题是有关太阳的几个令人不解的事实之一。

这项研究的主要作者，科罗拉多大学博尔德分校的大气与空间物理实验室研究员Shah Bahauddin说：“观察起来极其困难。”

我们最好的望远镜小而简短，直到最近才变得强大到足以解决它们。而且，仅看到微小的闪光灯是不够的-它需要大量的时间才能视为真正的纳米闪光瞄准器。Bahauddin说：“我们从理论上知道我们应该寻找什么-纳米耀斑会留下什么样的指纹。”

纳米火炬的任何其他名称

要说您已经观察到电晕加热的纳米耀斑，则必须至少检查两个主要的框。

首先，像常规的耀斑一样，通过磁重新连接将纳米耀斑点燃。如果您看到的火山喷发是由其他过程加热的，则不是纳米火炬。

磁场线爆炸性重新对准时，将触发磁性重新连接。与其他逐渐加热事物的机制不同，它可以吸收相对凉爽的等离子体，并使其瞬间变得过热。

Bahauddin说：“这就像将两个冰块放在一起，然后温度突然升高到华氏1000度一样。”

通过磁连接点加热的一种方法是在较冷的环境中观察强烈的热量。

其次，纳米火炬必须加热日冕，日冕可能位于其爆发处数千英里处。这并非小事-许多其他的太阳喷发只会使周围的环境变热。

“您必须检查纳米火炬的能量是否可以在电晕中消散，” Bahauddin说。“如果能量转移到其他地方，那将无法解决日冕加热的问题。”

违反直觉的发现成为关键难题

当Bahauddin以博士生的身份开始这项研究时，他根本没有考虑过纳米耀斑。在寻找一个项目时，他决定研究一些微小的亮环-在大约60英里的范围内，它们在太阳尺度上很小-他注意到在超热电晕下面的层中闪烁。

他说：“我认为可能是环流使周围的气氛更热了。”“我从没想过它会产生如此多的能量，以至于它实际上会将热等离子体推动到电晕上并对其加热。”

本文研究的其中一种环路增亮的特写。每个插图框都会放大到其左侧框中的选定区域。最右边的框是最放大的框，显示了推定的纳米光斑。

但是当Bahauddin放大NASA的接口区域成像光谱仪或IRIS卫星拍摄的图像时，他发现了两个惊喜。

首先，这些回路异常热-比周围的环境温度高数百万度。

但是，甚至更奇怪的是，这种热量以一种不寻常的方式分布-与大多数其他物理系统不同。

尽管太阳主要由氢和氦组成，但它也包含较少量的其他所有元素。在这些回路中，较重的元素（如硅，其原子核中有14个质子）要比较轻的元素（如氧，其只有8个质子）更热，更有活力。

Bahauddin说：“如果将非常轻的球推过地板，则它应该比沉重的球滚动得更远。”“但是，在我们的案例中，较重的元素以每秒约60英里的速度射击，而较轻的元素几乎为零。那完全是违反直觉的。”

这个奇怪的发现告诉他们，在这些明亮的循环中必须发生一些非常具体的事情。

这项研究的共同作者，美国宇航局位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心的太阳物理学家艾米·温巴格（Amy Winebarger）说：“这是一个重要的线索。”“您真的必须开始考虑哪种加热方式对氧原子的影响与对硅原子的影响不同。”

Bahauddin在接下来的几年中进行了计算机模拟，测试了不同的加热机制。他需要找到一种与他们的观察结果相符的方法，包括加热较重的元素而不是较轻的元素。

最后，只有一种加热机制才能产生效果。热量必须来自磁连接事件–太阳耀斑产生的相同驱动力。

关键在于后果。当磁场线扭曲并重新对准时，它们会产生短暂的电流，从而加速新释放的离子。Bahauddin把它比作一个惊慌的人群。

“就像房间里的每个人都试图同时跑步一样。他们开始相互碰撞，而且情况一团糟。”

至关重要的是，离子在电场中能够保持移动的时间越长，它获得的能量就越大。这是较重的离子（如硅）具有优势的地方。“由于他们有更多的动力，他们可以在人群中耕作并偷走所有可用的能量，”巴奥丁说。

换句话说，质量更大的硅离子在混乱中推开了道路，吸收了电场中的能量。较轻的氧离子无法做到这一点-每次碰撞后它们都停止在轨道上死亡。

这种机制可以解释他们的结果，但仍然是一个漫长的尝试。仿真表明，此过程仅在非常特定的条件下发生。

“要做到这一点，您需要一个特定的温度，并且需要硅与氧的比例正确，” Bahauddin说。“因此，我们回顾了测量结果，发现数字完全匹配。”值得注意的是，太阳的状况反映了他的模拟。

加热电晕

到目前为止，这些明亮的环似乎是微小的耀斑-但是它们的热量实际上到达了电晕吗？

Bahauddin仰望了NASA的太阳动力学天文台，该天文台的望远镜经过调谐，可以看到仅在日冕中发现的极热等离子体。Bahauddin在亮点出现后不久就将其定位在上方。

“在那里，只有20秒的延迟，” Bahauddin说。“我们看到了光亮，然后突然看到电晕被过热到了数百万度的温度，” Bahauddin说。“ SDO向我们提供了以下重要信息：是的，的确确实在增加温度，将能量转移到电晕中。”

Bahauddin记录了10个亮环实例，它们对电晕的影响相似。尽管如此，他仍然犹豫称它们为纳米火炬。“没有人真正知道，因为以前没有人见过，”巴奥丁说。“可以说，这是有根据的猜测。”

从说纳米火炬加热电晕的理论的角度来看，剩下要做的唯一事情就是证明这些增亮现象经常发生在整个太阳上，以解释电晕产生的极高热量。这项工作仍在进行中。但是，观察这些微小的爆发在加热太阳大气层时是一个令人信服的开始。

“我们已经证明了一个凉爽，低洼的结构实际上可以为电晕提供超热等离子体，” Bahauddin说。“对我来说，那是最美丽的事情。”

有关此研究的更多信息，请阅读解决关于太阳的长期谜题：储存的磁能如何加热太阳大气。

参考：Shah Mohammad Bahauddin，Stephen J.Bradshaw和Amy R.Winebarger的“重新连接介导的瞬态增亮在太阳过渡区的起源”，2020年12月7日，自然天文学。DOI：
10.1038 / s41550-020-01263-2