天文学家可能已经在太阳上发现了纳米耀斑

　　天文学家可能已经在太阳上发现了一个纳米耀斑——48年前首次预测，以解开一个重大谜团

　　研究人员可能已经发现了人们长期寻求的“纳米耀斑”，这种“纳米耀斑”被认为能将日冕加热到令人难以置信的温度。

　　发表在《自然天文学》上的一项新研究标志着研究人员第一次捕捉到了假定的纳米眩光的整个生命周期——从明亮的起源到酷热的消亡。

　　纳米耀斑是太阳上的微小喷发，是普通太阳耀斑的十亿分之一。尤金·帕克——以帕克太阳探测器而闻名——在1972年首次预言它们将解决一个主要难题：日冕加热问题。

　　这就是太阳外层大气，或称日冕，变得如此难以置信的热的奥秘。尽管离太阳核心远得多，但它比它下面的层要热几百万度。

　　近50年后，日冕加热问题仍未得到解决。很难证实几个不同理论中的任何一个，部分原因是没有人真正见过纳米耀斑。

　　“它们非常难观察。”博尔德科罗拉多大学大气和空间物理实验室的研究人员、该研究的主要作者沙阿·巴哈丁说。

　　又小又短，我们最好的望远镜只是在最近才变得足够强大来解决它们。仅仅看到微小的耀斑是不够的——要被认为是真正的纳米耀斑还需要很多。“我们从理论上知道我们应该寻找什么——纳米耀斑会留下什么指纹。”巴哈丁说。

　　要说你已经观察到了电晕加热纳米耀斑，你至少要检查两个主要的盒子。

　　首先，像常规耀斑一样，纳米耀斑是通过磁场重联点燃的。如果你看到的喷发是由其他过程加热的，那它就不是纳米耀斑。

　　当磁力线突然重新排列时，就会触发磁场重联。与其他逐渐加热的机制不同，它可以吸收相对较冷的等离子体，并在瞬间使其过热。

　　巴哈丁说：“这就像把两个冰块放在一起，突然温度上升到华氏1000度。”

　　一种通过磁场重联发现加热的方法是在更冷的环境中观察到强烈的热量。

　　第二，纳米耀斑必须加热日冕，日冕可能位于爆发点上方数千英里处。这不是小事——许多其他的太阳爆发只会加热它们周围的环境。

　　“你必须检查纳米耀斑的能量是否能在日冕中消散，”巴哈丁说："如果能量转移到别的地方，那并不能解决日冕加热的问题。"

　　当巴哈丁作为一名博士生开始这项研究时，他根本没有考虑纳米耀斑。为了寻找一个项目，他决定研究一些微小的亮环——直径约60英里，在太阳尺度上很小——他注意到在超热日冕下面的层中有闪烁。

　　“我想可能是这些环让周围的大气变得更热了，”他说：“我从来没有想到它会产生如此多的能量，以至于实际上可能会将热等离子体推向日冕并将其加热。”

　　但是当巴哈丁放大美国宇航局接口区域成像光谱仪(IRIS)卫星拍摄的图像时，他发现了两个惊喜。

　　首先，这些环非常热——比它们周围的温度高几百万度。

　　但更奇怪的是，这种热量以不同寻常的方式分布——不同于大多数其他物理系统。

　　虽然太阳主要由氢和氦组成，但它也含有少量的其他元素。在这些环中，不知何故，较重的元素——如原子核中有14个质子的硅——比较轻的元素(如只有8个质子的氧)更热、更有能量。

　　巴哈丁说:“如果你把一个非常轻的球推过地板，它应该会比一个重球滚得更远。”“然而，在我们的例子中，较重的元素以每秒60英里的速度射出，而较轻的元素几乎为零。这完全违反直觉。”

　　这个奇怪的观察告诉他们，在这些明亮的环中一定发生了非常具体的事情。

　　“这是一个很大的线索。”艾米·怀恩巴格尔说，她是位于阿拉巴马州亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心的太阳物理学家，也是这项研究的合著者。“你真的必须开始思考什么样的加热会对氧原子产生不同于硅原子的影响。”

　　Bahauddin花了几年时间运行计算机模拟，测试不同的加热机制。他需要找到一种能与他们的观察相匹配的方法，包括加热较重的元素比加热较轻的元素。

　　最终，只有一种加热机制能够产生这种效果。热量必须来自磁重联事件——太阳耀斑背后的相同驱动力。

　　关键是在事后。当磁力线扭曲并重新排列时，它们会产生短暂的电流，加速新释放的离子。巴哈丁把它比作一群惊慌失措的人。

　　“就好像房间里的每个人都在试图同时奔跑。他们开始互相碰撞，这是一个很大的混乱。”巴哈丁说。

　　关键是，离子在电场中持续运动的时间越长，它获得的能量就越多。这就是重离子，如硅，具有优势的地方。“因为他们有更多的动力，他们可以在人群中穿行，偷走所有可用的能量。”巴哈丁说。

　　换句话说，更大质量的硅离子挤过混乱，吸收了电场的能量。较轻的氧离子不能做到这一点——它们在每次碰撞后都被阻挡在轨道上。

　　这个机制可以解释他们的结果，但仍然是一个漫长的过程。模拟表明，这一过程只发生在相当特定的条件下。

　　“要做到这一点，你需要一个特定的温度，你需要硅与氧的比例合适。”巴哈丁说。"所以我们回头看了看测量结果，发现数字完全吻合。"值得注意的是，太阳上的条件反映了他的模拟。

　　到目前为止，这些明亮的环似乎是微小的耀斑——但是它们的热量真的到达日冕了吗？

　　巴哈丁看着美国宇航局的太阳动力学观测站，该观测站装有望远镜，可以看到仅在日冕中发现的极热等离子体。Bahauddin在亮灯出现后不久就在亮灯的正上方找到了这些区域。

　　“就在那里，仅仅延迟了20秒。”巴哈丁说。巴哈丁说：“我们看到了光亮，然后我们突然看到日冕过热到数百万度的温度。”“SDO给了我们这个重要的信息，这确实是在提高温度，把能量转移到日冕上。”

　　Bahauddin记录了10个对日冕有类似影响的亮环的例子。尽管如此，他不愿称它们为纳米耀斑。“实际上没人知道，因为以前没人见过它。”巴哈丁说：“假设这是一个有根据的猜测。”

　　从纳米眩光加热日冕的理论角度来看，剩下要做的唯一一件事就是证明这些变亮现象在整个太阳上出现的频率足以解释日冕的酷热。那项工作仍在进行中。但是观察这些微小的爆发加热太阳大气是一个引人注目的开始。

　　巴哈丁说：“我们已经展示了一个凉爽、低洼的结构是如何向日冕提供超热等离子体的。”“对我来说，那是最美丽的东西。”