科学家们开发出了一种可实时测量太阳日冕磁场的方法

太阳旋转时的全球日冕磁场示意图。 背景是在极紫外波段观测到的日冕，上面叠加了不同时间测量到的全球日冕磁场图。 资料来源：杨子豪

科学家们首次对太阳的全球日冕磁场进行了近乎每天一次的测量--以前只能偶尔观测到这一区域。 这些观测结果为深入了解强烈太阳风暴背后的过程提供了重要信息，这些太阳风暴影响着关键技术，进而影响着地球上的生活和生计。

10月3日出版的《科学》（Science）杂志详细分析了由升级版日冕多通道极化计（UCoMP）仪器历时八个月收集的数据。

太阳磁场是太阳风暴的主要驱动力，太阳风暴会对电网、通信系统和全球定位系统等空间技术造成威胁。 然而，由于在日冕（太阳的上层大气）中观测磁场所面临的挑战，我们了解磁场如何积累能量并爆发的能力受到了限制。

通过标准偏振测量方法测量该区域的磁性通常需要大型、昂贵的设备，迄今为止只能研究日冕的一小部分。 然而，结合使用日冕地震学和UCoMP观测，研究人员就有可能绘制出一致而全面的全球日冕磁场图--也就是人们在日食时看到的整个太阳的景象。

"日冕磁场的全球绘图一直是太阳研究中缺失的重要部分，"第一作者杨子豪说，他在中国北京大学攻读博士学位时就开始了这项研究，现在是美国国家科学基金会国家大气研究中心（NSF NCAR）的博士后研究员。"这项研究帮助我们填补了对日冕磁场认识上的一个重要空白，日冕磁场是可能影响地球的风暴的能量来源。"

该国际团队由来自英国诺桑比亚大学、美国国家科学基金会国家大气研究中心、中国北京大学和密歇根大学的研究人员组成。 该研究得到了国家自然科学基金委员会和中国国家重点研发计划的资助，并得到了美国国家科学基金会国家航空航天研究中心授予杨振宁的纽柯克研究生奖学金的支持。 UCoMP仪器是在美国国家科学基金会（NSF）的支持下开发的，由NSF NCAR在莫纳罗亚太阳天文台运行。

UCoMP 仪器的增强功能

尽管科学家们已经能够对太阳表面的磁场（即光层）进行常规测量，但长期以来却很难对暗淡得多的日冕磁场进行测量。 这就限制了对日冕磁场三维结构和演变的深入了解，而日冕磁场正是太阳风暴的发源地。

要深入测量日冕的三维磁场，就需要像美国国家科学基金会的丹尼尔-K-井上太阳望远镜（DKIST）这样的大型望远镜。 DKIST 拥有 4 米直径的孔径，是世界上最大的太阳望远镜，最近展示了它在日冕磁场详细观测方面的突破性能力。 然而，DKIST 无法一次性绘制出太阳地图。 较小的 UCoMP 仪器实际上更适合为科学家提供日冕磁场的全貌，尽管分辨率较低，而且是二维投影。 因此，这两个来源的观测结果对于全面了解日冕磁场具有很强的互补性。

UCoMP 主要是一个日冕仪，这种仪器使用一个圆盘来遮挡来自太阳的光线，类似于日食，从而更容易观测日冕。 它还结合了一个斯托克斯偏振计，可以对日冕线强度和多普勒速度等其他光谱信息进行成像。 尽管 UCoMP 的孔径要小得多（20 厘米），但它能够拍摄到更广阔的视野，这使得它能够在大多数日子里研究整个太阳。

研究人员采用了一种称为日冕地震学的方法来追踪 UCoMP 数据中的磁流体横波。 MHD 波提供的信息使他们能够绘制日冕磁场强度和方向的二维地图。

2020 年，之前的一项研究利用 UCoMP 的前身和日冕地震学方法绘制了第一张全球日冕磁场图。 这是迈向常规日冕磁场测量的关键一步。 UCoMP 的功能得到了扩展，使得进行更详细的常规测量成为可能。 在 UCoMP 研究期间，研究小组在 2022 年 2 月至 10 月间绘制了 114 幅磁场图，几乎每隔一天就绘制一幅。

杨说："我们正在进入一个太阳物理研究的新时代，我们可以对日冕磁场进行常规测量。"

新见解和未来方向

观测还首次测量了极区的日冕磁场。 我们从未直接观测过太阳的两极，因为太阳在两极附近的弧度使我们无法从地球上看到它。 虽然研究人员没有直接观测到两极，但他们第一次能够对两极发出的磁性进行测量。 这部分归功于 UCoMP 所提供的数据质量的提高，同时也因为太阳接近太阳极大值。 极区通常较弱的辐射变得更强，从而更容易获得极区的日冕磁场结果。

作为NSF NCAR的博士后研究员，杨将继续他对太阳磁场的研究；他希望改进现有的基于光球测量的日冕模型。 由于 UCoMP 目前使用的方法仅限于二维，因此仍然无法捕捉到完整的三维磁场。 杨和他的同事希望将他们的研究与其他技术结合起来，更深入地了解日冕磁场的全部矢量。

磁场的第三个维度，即沿着观众视线的方向，对于了解日冕如何在太阳爆发前被激发具有特别重要的意义。 最终，需要结合大型望远镜和全球视场来测量太阳爆发等现象背后的所有三维扭曲和纠结；这就是拟议中的日冕太阳磁性观测站（COSMO）背后的动机，这是一个直径 1.5 米的太阳折射望远镜，正在进行最后的设计研究。

"由于日冕磁力是太阳质量飞越太阳系的力量，我们必须对其进行三维观测--而且是同时观测全球日冕的任何地方，"COSMO开发负责人、国家科学基金会NCAR科学家莎拉-吉布森（Sarah Gibson）说。"杨的工作标志着我们在了解太阳全球日冕磁场如何逐日变化的能力方面向前迈出了一大步。 这对我们更好地预测太阳风暴并为其做好准备至关重要，太阳风暴对我们日益依赖技术的地球生活造成的危险与日俱增"。

编译自/SciTechDaily