最熟悉的陌生人：太阳磁场起源和反向之谜｜赛先生天文
2003年10月28日的太阳超级爆发
太阳是地球居民最熟悉的一颗恒星，她的东升西落，是再平常不过的现象。太阳黑子、耀斑、日冕，也是人们时有耳闻的名词。然而，天文学家们却说：No No No，我们并没有自己想象中那么了解太阳，她是我们最熟悉的陌生人。
太阳活动时而剧烈时而平静，背后的原因是什么？磁向反转11年掉个个儿，又是怎么一回事？关于太阳，谜团重重，且听天文学家怎么说。
汪景琇（中国科学院国家天文台）
太阳是离我们最近的恒星，目前大约46亿岁；太阳直径大约是139万公里，是地球直径的1百多倍。从化学组成来看，现在太阳质量的大约四分之三是氢，剩下的几乎都是氦，包括碳、氮、氧、铁和其他的重元素质量少于2%。目前在太阳核区的氢元素正通过剧烈的核聚形成氦元素，往太空释放大量的光和热。
太阳仅是银河系中数千亿颗恒星中毫不起眼的一颗黄矮星。太阳也不位于银河系的中心（图1），而是离银河系中心大约两万四千光年。正是普通的太阳孕育了地球上丰富多彩的生命，包括人类。唯其普通才更具普遍意义，对太阳的理解成为人类打开恒星奥秘之门的钥匙。它也把我们带入宇宙磁学研究的大门，成为宇宙等离子体研究的最好实验室。
图1. 银河系俯瞰图： 银河系有非常复杂的结构，包括中心区域的核球和超大质量黑洞；优美的旋臂上分布着许多分子云和恒星形成区。太阳位于其中一个旋臂上，离银河系中心大约两万四千光年（图片来源：www.nature.com/news/galaxy-formation-the-new-milky-way-1.11517）。
尽管看似普通，但是太阳内部的结构相当复杂。通过观测和理论研究，天文学家得到了一个大致的图像。图2显示了太阳内部的分层结构。位于太阳中心的是产生核聚变的日核和辐射区，而外部是对流层。两者之间的旋切层被认为是太阳强磁场产生的孕床。对流层顶之上是太阳大气的光球、色球、过渡区和日冕；发生于其中的最典型的活动对象黑子（图2左上插图，包括米粒结构）、日珥和耀斑已在图中标明（我们将在其他文章中予以介绍）。
图2. 从太阳内核到辐射区和对流层的分布（已按实际大小等比例缩小）；辐射区和对流层之间的旋切层被认为是太阳强磁场产生的孕床。对流层顶之上是太阳大气的光球、色球、过渡区和日冕；发生其中的最典型的活动对象黑子、日珥和耀斑已标注图中。
太阳黑子作为太阳磁场和太阳活动最显著的标志，首次被人类通过望远镜观测到，是由伽里略在1610年实现的（中国人2000多年前就有了太阳黑子的书面记录）。太阳黑子的11年周期，即太阳活动周，由施瓦布于1843年发现（Schwabe，1844）。然而，直到1908年，黑尔才基于物理学中的Zeeman效应，对太阳黑子做光谱学诊断，发现了太阳黑子的强磁场（Hale, 1908）。这是人类第一次用物理学原理和方法研究天体对象，也是人类第一次在地球之外发现磁场。这一发现标志着太阳物理学，或确切地说，天体物理学的诞生。黑尔本人创造了英文单词“Astrophysics”，创办了著名的天文学期刊 The Astrophysical Journal。
人类对太阳的研究要早于其他天体物理对象，许多发现已耳熟能详。那么，我们是否可以不必再花时间在太阳研究上了？实际上，太阳物理中还有许多难题，而这些问题对暗弱和遥远的天体有相当的普遍性，比如说，其中最重要的一个问题就是太阳磁场从何而来？
正是因为磁场的存在才使得太阳产生了多姿多彩的众多天文现象。磁场和等离子体相互作用，在太阳大气中产生了美丽缤纷的结构，驱动激烈的活动现象，形成膨胀的高温日冕和太阳风（图2）。物理学家莱顿（R. B. Leighton）说过，太阳如果没有磁场，就会成为一个枯燥的对象。拉莫尔（Larmor, 1919） 是第一个探讨太阳的自转是如何产生磁场的。然而，直到1955年，帕克才从第一原理出发，导出得到一个被称为发电机方程的基本方程，通过求解解释了太阳磁场起源和黑子的11年周期等诸多现象（Parker, 1955；图3）。
图3. 太阳活动周期：从1980 年（活动极大期）、1986年（接近活动极小期）到1989年（再次接近活动极大期）的太阳磁场强弱的变化：中图-太阳黑子数变化；上下图-色球Ha单色像展示的太阳活动水平变化。（图片来源： NASA）
把这一理论建筑在更坚实基础上的是德国学者（Steenbeck, Krause, Radler 1966），他们通过认知湍动等离子体的统计性质，发展了平均场的磁流体力学理论。在帕克提出发电机方程的同年，贝博库克父子（Babcock & Babcock，1955）发现了太阳的极区磁场, 即太阳的普遍磁场，通常被称为极向磁场。太阳活动周被描述成太阳极向磁场与以太阳黑子为代表的环向磁场交替产生循环往复的过程（图4）。
图4. 过去三个太阳活动周太阳极向磁场（粗实线和虚线分别描述北极和南极磁场强度的变化）和太阳环向磁场（点线是太阳黑子相对数）的变化。
从太阳磁场演化的观测分析出发，贝博库克（1961）和莱顿（1964，1969）提出了磁通量输运发动机的思想。由于黑子群的前导和后随极性浮现时，其磁轴对于赤道方向几乎都有一个倾角，超米粒（图2左上角插图中的米粒结构）对流元的随机游动和太阳经向环流（meridional flow）会将后随极性的磁通量向极区输运，形成新的极向磁场分量。这种从环向磁场产生极向磁场的机制被称为贝博库克-莱顿（BL）机制，等效于平均场理论中涡旋对流的a效应，被称为贝博库克-莱顿 a效应。
磁通量转移发电机主导了近十几年太阳发电机研究的方向。图5大致描述了磁通量转移发电机是如何运行的。国家天文台研究员姜杰及其合作者（2016）详细讨论了磁通量输运发电机中主要的物理过程。
图5. 磁通量输运发电机运行示意图。太阳极向磁场因较差自转形成太阳环向磁场（第一排）；环向磁场浮现到太阳表面，其磁轴的倾斜提供了新的极向磁场分量（第二排）；通过经向环流和超米粒随机游动，环向磁场的后随分量向极区输运，形成新的极性相反的极向磁场（第三排），使太阳活动周期得以循环往复（插图取自Dikpati等，2006）
经过差不多百年的努力，让我们有了一个理解太阳磁场产生和变化的物理框架。然而，正如美国的科学（Science）杂志在创刊125周年时指出，人们依然无法按照现有的理论，模拟再现太阳活动的22年磁周期（经过两个黑子周期（注：两次反向），太阳极向磁场的极性才得以恢复）：或者其中关键的细节依然在我们掌握之外，或者我们需要一个全新的理论从头来过。太阳活动周的产生机制，因而被选为未来25年人类必须回答的125个重大科学问题之一。除此之外，下面简单列出有关太阳磁场研究的其它几个关键问题。
现有的理论是针对太阳平均磁场的，无法描述真实磁场的起源和演化。例如，磁通量输运发电机研究仍限于两维、轴对称的情形，描述的是每个太阳自转周平均磁通量密度随纬度和时间的演化。人们熟知的太阳强磁场和大耀斑常常出现在特定的“活动经度”或“活动穴”内的事实无法得到解释（见Berdyugina等，2006）。
现有的研究局限于运动学发电机。对磁场产生起决定性作用的较差自转（differential rotation）和经向环流，是基于日震学观测事先给定的。发电机理论中的随机性和非线性，也是基于活动区观测经验引入的（Jiang 等，2015）。我们离建立和求解动力学发电机方程的目标还相距甚远。
对发电机理论中起决定性作用的磁扩散（Magnetic diffusion）的理解是非物理的。在数值模拟中，磁扩散被简单地处理成磁通量的代数和相加。不同于灰尘之于大气、溶质之于溶液的扩散，发电机理论中的磁扩散，有磁拓扑的改变和磁通量的湮灭（比如磁重联）。磁扩散系数应当由等离子体湍动性质导出和决定。
我们对太阳和恒星中的孟德尔极小现象（Eddy，1976），即在太阳和恒星15-25%的生命周期中，会出现没有磁场或磁场很弱的现象（图3和图4），还没有一个可靠的理解。我们不但不知道其产生的原因，更不知道“正常”的磁活动如何从几无黑子的状态中复苏。图6描述了2006年开始的太阳活动“巨极小”和“微极大”的罕见情形。有学者怀疑，当前一个新的太阳孟德尔极小期是否正在到来。
图6. 从2006年开始太阳巨极小和微极大现象：黑子相对数（黑实线）、太阳总辐射（蓝色点、实线）、超级太阳活动区（绿色直方图）和X级强太阳耀斑（红色直方图）变化图示（陈安芹提供）。
对参与太阳发电机过程的太阳内部结构和动力学，我们所知甚少。例如经向环流，只在太阳表面有测量；不止一个经向环流的报道（Zhao 等，2013）对太阳磁通量的产生和输运提出了新的挑战。对旋切层（图2）的性质，也仍在研究中。
太阳因磁场的存在而变得绚丽多姿，而太阳磁场变化引起的剧烈活动对地球、行星际和太阳系天体产生的影响更是跨学科的重大科学难题。尽管太阳磁场的研究还有许多问题悬而未决，但它已经为探究宇宙尺度上的磁场起源起到了重要的启示作用。更多的恒星磁场已被定量测量，银河系的磁场已被初步成像，对河外星系（图7）和宇宙早期的磁场研究也是天文学的前沿领域。磁场无疑是天文学里非常棘手而又引人入胜的最基本问题之一。
图7. 在旋涡星系M51中的磁场走向，在主星系和子星系间磁场走向出现变化和不连续；白色等高线表示了总的射电强度。右上角标明了9千光年的尺度。（图片来源：http://www.mpifr-bonn.mpg.de/research/fundamental/cosmag）。
参考文献
[1] Babcock, Horace W.; Babcock, Harold D. The Sun's Magnetic Field, 1952-1954, 1955, ApJ,121, 349
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[4] Dikpati M, de Toma G, Gilman P A.Predicting the strength of solar cycle 24 using a flux-transport dynamo-based tool. Geophysical Research Letters, 2006, 33, L05102
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[15] Zhao, Junwei, Bogart, R. S., Kosovichev, A. G.et al. Detection of Equatorward Meridional Flow and Evidence of Double-cell Meridional Circulation inside the Sun, 2013, ApJL, 774, L29
作者简介
汪景琇：中国科学院院士，太阳物理学家。 1969年毕业于北京大学地球物理学系，1987年在中国科学院北京天文台获理学博士学位，现为中国科学院国家天文台研究员。 长期从事太阳磁场和太阳活动研究。与合作者系统地提出了对太阳向量磁场研究的方法、概念和表征量，定量描述太阳活动区磁能积累过程；发现活动区磁剪切具有总体规则性，对活动区磁螺度最早给出定量估计。由向量磁场观测，发现太阳低层大气中磁重联存在的证据，提出太阳活动中存在两阶段磁重联的思想。通过前所未有的定量测量，提出太阳网络内磁场是区别于黑子和网络磁场的内禀弱磁场分量，对太阳总磁通量有重要贡献。曾获国家自然科学奖二等奖、中国天文学会张钰哲奖，现为《天文和天体物理学研究》杂志主编。
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