导读 太阳表面是由太阳磁场驱动的太阳黑子和耀斑的灿烂展示，太阳磁场是通过称为发电机作用的过程在内部产生的。天体物理学家假设太阳场是在恒星...

太阳表面是由太阳磁场驱动的太阳黑子和耀斑的灿烂展示，太阳磁场是通过称为发电机作用的过程在内部产生的。天体物理学家假设太阳场是在恒星深处产生的。但麻省理工学院的一项研究发现，太阳的活动可能是由一个更浅的过程塑造的。

在《自然》杂志上的一篇论文中，麻省理工学院、爱丁堡大学等机构的研究人员发现，太阳磁场可能源于太阳最外层的不稳定性。

研究团队制作了太阳表面的精确模型，发现当他们模拟太阳表面5-10%范围内的某些扰动或等离子体(电离气体)流动变化时，这些表面变化足以产生逼真的磁场模式，其特征与天文学家在太阳上观察到的特征相似。相比之下，他们在更深层进行的模拟产生的太阳活动不太真实。

研究结果表明，太阳黑子和耀斑可能是浅层磁场的产物，而不是科学家们普遍认为的源自太阳深处的磁场。

“我们在观察太阳时看到的特征，比如许多人在最近的日食期间看到的日冕、太阳黑子和太阳耀斑，都与太阳的磁场有关，”该研究的作者基顿伯恩斯说，他是一名研究科学家。麻省理工学院数学系。

“我们发现，远离深层的太阳表面附近的孤立扰动会随着时间的推移而增长，并可能产生我们所看到的磁结构。”

如果太阳磁场确实来自其最外层，这可能使科学家有更好的机会预测可能破坏卫星和电信系统的耀斑和地磁风暴。

“我们知道太阳发电机就像一个巨大的时钟，有许多复杂的相互作用的部件，”论文合著者、爱丁堡大学研究员杰弗里·瓦西尔(GeoffreyVasil)说道。“但我们不知道很多部件，也不知道它们是如何组合在一起的。关于太阳发电机如何启动的新观点对于理解和预测它至关重要。”

该研究的合著者还包括西北大学的DanielLecoanet和KyleAugustson、贝茨学院的JeffreyOishi、科罗拉多大学博尔德分校的BenjaminBrown和KeithJulien，以及加州大学圣克鲁斯分校的NicholasBrummell。

流动区

太阳是一个表面沸腾的白热等离子球。这个沸腾区域被称为“对流区”，等离子层和羽流在这里翻腾流动。对流区占太阳半径的三分之一，延伸至太阳表面以下约20万公里。

“启动发电机的基本思路之一是，需要一个有大量等离子体穿过其他等离子体的区域，而这种剪切运动会将动能转化为磁能，”伯恩斯解释道。“人们曾认为太阳的磁场是由对流区最底部的运动产生的。”

为了确定太阳磁场的确切来源，其他科学家使用大型三维模拟来试图解决等离子体在太阳内部多个层面的流动问题。伯恩斯说：“这些模拟需要国家超级计算机设施花费数百万小时进行，但它们产生的湍流仍然远不及实际的太阳。”

伯恩斯和他的同事们没有模拟整个太阳的复杂等离子体流，而是想知道研究表面附近等离子体流的稳定性是否足以解释发电机过程的起源。

为了探索这个想法，该团队首先使用了“日震学”领域的数据，科学家们利用观测到的太阳表面的振动来确定表面下方等离子体的平均结构和流动。

“如果你拍摄一段鼓的视频，观察它如何以慢动作振动，你就可以从振动模式中推算出鼓面的形状和硬度，”伯恩斯说。“同样，我们可以利用我们在太阳表面看到的振动来推断内部的平均结构。”

太阳能洋葱

为了开展这项新研究，研究人员从日震观测中收集了太阳结构模型。伯恩斯解释说：“这些平均流动看起来有点像洋葱，不同层的等离子体相互旋转。然后我们要问：等离子体流动中是否存在扰动或微小变化，我们可以将这些扰动或微小变化叠加到这个平均结构之上，从而形成太阳磁场?”

为了寻找这种模式，该团队利用了Dedalus项目——伯恩斯开发的一个数值框架，可以高精度模拟多种类型的流体流动。该代码已应用于广泛的问题，从单个细胞内的动力学建模到海洋和大气环流。

伯恩斯说：“我的同事们多年来一直在思考太阳磁性问题，而Dedalus的功能现在已经达到了我们可以解决这个问题的程度。”

该团队开发了算法，并将其纳入Dedalus中，以发现太阳平均表面流量的自我强化变化。该算法发现了可以增长并导致真实太阳活动的新模式。特别是，该团队发现了与自1612年伽利略以来天文学家观测到的太阳黑子的位置和时间尺度相匹配的模式。

太阳黑子是太阳表面的瞬时特征，据信是由太阳磁场形成的。这些相对较冷的区域与太阳白热表面的其余部分相比，看起来像是黑点。天文学家长期以来一直观察到，太阳黑子呈周期性出现，每11年生长和消退一次，并且通常围绕赤道而不是两极移动。

在团队的模拟中，他们发现，仅太阳表面层顶部5-10%的等离子体流动发生某些变化就足以在同一区域产生磁结构。相比之下，更深层的变化会产生不太现实的太阳场，这些太阳场集中在两极附近，而不是赤道附近。

该团队有动力仔细观察表面附近的流动模式，因为那里的条件类似于完全不同的系统中不稳定的等离子体流：黑洞周围的吸积盘。吸积盘是由气体和恒星尘埃组成的巨大圆盘，在“磁旋转不稳定性”的驱动下向黑洞旋转，磁旋转不稳定性会在流动中产生湍流并导致其向内落下。

伯恩斯和他的同事怀疑太阳中也存在类似的现象，而太阳最外层的磁转不稳定性可能是产生太阳磁场的第一步。

“我认为这个结果可能会引起争议，”他说。“大部分研究者都专注于寻找太阳深处的发电机效应。现在我们展示了一种不同的机制，似乎与观测结果更吻合。”

伯恩斯表示，该团队正在继续研究新的表面场模式是否可以产生单个太阳黑子和完整的11年太阳周期。