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為何日冕比太陽表面還熱?實驗首證實太陽日冕加熱機制

(首圖來源:NASA)
(首圖來源:NASA)

【文‧Emma stein】

太陽表面溫度約 6,000℃,但令人驚訝的是環繞太陽周圍的電漿光環:日冕,溫度卻高達上百萬度,有關日冕加熱的過程機制始終是未解之謎。直到最近,科學家首次透過實驗證實理論預測這些電漿的加熱行為。

日冕是環繞在太陽周圍強烈電離的電漿光環(環繞其他恆星的電漿光環稱為冕或星冕),向外太空延伸數百萬公里遠,容易在日全食看到。科學家不解的是,日冕密度僅太陽表面(光球)10~12 倍,溫度卻比太陽表面熱 150~450 倍,光球平均溫度 5,800K,日冕高達 100 萬至 300 萬 K。

日冕加熱現象至今仍是太陽物理學一大謎團,很簡單的問題在科學家腦海閃過:「為什麼外鍋溫度比爐心還要熱?」

目前主流理論認為磁場在加熱過程發揮一定作用,但主要起因於太陽電漿磁場結構突然變化還是不同類型波衰減,仍然有爭議。德國亥姆霍茲德勒斯登羅森多夫研究中心(HZDR)團隊新研究,將重點放在於日冕下方產生的阿爾文波(Alfvén wave),這是電漿體沿磁場方向傳播的波,作用在電離粒子的磁場類似吉他弦,彈奏時會引發波動且撥弄越細的弦越增加音高,阿爾文波的頻率與傳播速度也和磁場強度息息相關。

HZDR 天文學家 Frank Stefani 表示,磁場在太陽日冕正下方的磁篷很大程度平行於太陽表面排列,在這裡聲波與阿爾文波速度大致相同,很容易相互轉變,因此團隊嘗試實驗達到這神奇臨界點。

然而從 1942 年預測至今,實驗始終無法達到這項對電漿加熱至關重要的磁篷條件,大型電漿實驗中,阿爾文波速度通常遠高於音速;但在液態金屬實驗,阿爾文波速度明顯降低,原因是普通超導線圈的磁場強度相對較低。

為解決這問題,研究人員考慮可產生近 100T 的脈衝磁場,由於脈衝磁場產生的壓力高達大氣壓力 50 倍,因此實驗銣熔體必須密封在堅固的不鏽鋼容器內,在容器底部注入交流電將其暴露於磁場,最終成功於熔體產生阿爾文波,並以預期的速度向上運動;此外,實驗出現頻率減半的新訊號,這種突然倍增與理論預測完全一致。

儘管並非所有觀察到的效應都有解釋,但至少為解決太陽日冕加熱之謎提供重要細節。

除了地球實驗,NASA 帕克太陽探測器主要目標之一就是解開太陽日冕加熱之謎,隨著探測器預計 2025 年飛至距離太陽表面僅 700 萬公里處,屆時收集的數據將有機會解開太陽各種謎團。

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