一个太阳科学家小组发现了驱动太阳大部分波动特性的发动机的可能原型--它产生了像风暴云一样在表面移动的太阳黑子，并导致太阳活动水平在 11 年的周期内上升和下降。科罗拉多大学博尔德分校的太阳物理学家本杰明-布朗（Benjamin Brown）说，这种发动机又称"太阳发电机"，它背后的秘密可能是最古老的"物理学未解之谜"。
历时 10 年的太阳图像揭示了恒星的活动是如何随着时间的推移而骤增和骤减的。资料来源：日本 ISAS 和美国 NASA 的 Yohkoh 任务
新的研究表明，造成太阳周期和太阳黑子的太阳动力始于太阳外层。这挑战了关于更深层起源的旧理论，并为太阳活动的可预测模式提供了启示。
在他们的开创性研究中，布朗和他的同事们使用数学方程模拟了太阳的行为，认为"发电机"可能始于恒星的最外层，而不是许多科学家几十年来一直认为的恒星内部深处。
在许多方面，这种追求始于公元 1612 年著名的天文学家伽利略。
这幅插图在美国宇航局太阳动力学天文台拍摄的图像上描绘了太阳的磁场。复杂的线条叠加可以让科学家们了解太阳磁性随着太阳内部和外部的不断运动而变化的方式。图片来源：NASA/SDO/AIA/LMSAL
这项研究的共同作者、天体物理与行星科学系副教授布朗说："伽利略在 400 年前首次观测到了太阳黑子，他了解了很多关于太阳黑子的知识，包括它们如何在太阳表面移动。但他搞不清楚它们是从哪里来的。从那时起，我们就一直为这个问题苦苦挣扎。"
由英国爱丁堡大学的 Geoffrey Vasil 领导的研究小组最近在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。这项研究的共同作者包括基思-朱利安（Keith Julien），他是一名来自科罗拉多大学博尔德分校的应用数学家，今年 4 月因病去世。
这些发现取决于"发电机"，它是太阳中产生狂野磁场的复杂物理和化学的术语。地球拥有自己的"发电机"，为地球磁场提供动力，这也是地面上所有指南针指向北方的原因。
公元 1128 年伍斯特的约翰绘制的太阳黑子图。
布朗说，太阳的内部运作对人类非常重要，太阳会产生太阳风暴，对人类电网构成威胁，这种风暴也导致了本月初在美国上空出现的极光。
对于研究人员来说，这项研究是几十年来的一项成就。"自从 20 年前我们还是科罗拉多大学博尔德分校的研究生时，Geoff Vasil 和我就一直在思考这些想法。"
一般来说，科学家们都认为太阳动力始于太阳的"对流区"，也就是太阳内部大约三分之一的外部区域。在那里，被称为等离子体的高温带电粒子羽流向表面攀升。
地球的磁场大部分是均匀的，而整个太阳对流区的等离子体搅动却将其磁场线扭曲成一个看起来像一碗面条的图案。
基思-朱利安
布朗说，尽管太阳活动混乱不堪，但它的行为却出人意料地可以预测。每隔 11 年左右，太阳就会从太阳黑子较少出现的低活动期转入太阳黑子大量出现的狂热活动期--然后再翻转过来，重新开始。现在，太阳活动正处于狂热期。
"你几乎可以给太阳'发电机'设定一个日历，"他说。"它为何如此狂野却又如此有序？"
要弄清这个问题，研究人员首先需要知道这种效应到底是从太阳的哪个位置开始的。20 世纪 90 年代，科学家们提出，"发电机"出现在太阳表面以下大约 13 万英里的地方--这一理论被昵称为"深海发电机"。
然而，这一概念难以解释太阳混沌中产生的秩序。瓦西尔、布朗和他们的同事转而研究物理学中一种叫做"磁旋转不稳定性"的现象。这是一种磁场与旋转等离子体相互作用时形成的不平衡现象，在旋转等离子体中，磁流越往深处移动得越快。
"布朗说："这有点像舞伴们挽着胳膊互相旋转。
长期以来，研究人员一直在研究这种现象是如何在环绕黑洞的高温气体盘中产生的。但它在太阳中的作用却不太清楚。
在目前的研究中，瓦西尔、布朗和他们的同事在计算机上进行了一系列计算，研究这种不稳定性如何影响太阳的活动。他们发现，这一过程可以轻易地鞭打太阳内部，形成太阳"发电机"，并解释 11 年周期是如何开始的。这些物理现象也将发生在太阳外围的10%，即距离表面微不足道的2万英里处。换句话说，太阳"发电机"可能很强大，但也有点肤浅。
在完全摆脱深层理论中的"发电机"之前，研究人员还有很多工作要做。但布朗希望，这项研究能成为自己的动力，在该领域掀起一股新的研究热潮。
编译来源：ScitechDaily