为什么日冕的温度比太阳表面高200倍？

太阳系中很少有地方比太阳表面更热。但出乎意料的是，太阳大气层最外层（即日冕）中稀薄的等离子体卷须比太阳表面更热。

加州大学伯克利分校空间科学研究员贾黄说：“为什么日冕距离太阳核心较远，但温度却如此之高，这很令人困惑。”

太阳表面温度徘徊在 10,000 华氏度左右，而薄薄的日冕温度可高达 200 万华氏度。这一难题被称为日冕加热问题，天文学家自 19 世纪中期以来一直在努力解决它。

“简单地说，解决这个问题可以帮助我们更好地了解太阳，”黄说。他补充说，更好地了解太阳物理学也“对于预测太空天气以保护人类至关重要”。此外，太阳是我们唯一可以向其发送探测器的恒星——其他恒星距离我们太远了。“因此，了解太阳可以帮助我们了解宇宙中的其他恒星。”

日冕加热问题简史

在 1869 年的日全食期间（太阳、月亮和地球连成一线，遮挡了大部分太阳光线），科学家们能够观察到微弱的日冕。他们的观察揭示了日冕中的一个特征，他们认为这是新元素存在的证据：钶。60 多年后，量子力学理论的改进揭示了这种“新元素”就是普通的铁，但加热到的温度高于太阳表面。

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这一对 1869 年令人费解的测量结果的新解释是日冕极端温度的第一个证据，并开启了数十年的研究，以了解等离子体如何变得如此之热。这个问题的另一种表述方式是，日冕中的能量来自哪里，它是如何到达那里的？

黄说：“我们确信这个问题尚未解决，尽管我们有很多理论，整个天文学界仍在热情地研究它。”目前，关于太阳能量如何加热日冕，主要有两种假设：波的运动和一种名为纳米耀斑的爆炸现象。

理论 1：阿尔文波

太阳表面像一锅沸水一样翻腾沸腾。当等离子体对流时——较热的物质上升，较冷的物质下沉——它会产生太阳巨大的磁场。这种磁场可以以某种特殊的波的形式移动和摆动，这种波被称为阿尔文波，它会推动太阳表面上方的质子和电子。阿尔文波是一种已知现象——等离子体物理学家甚至在地球上的实验中也看到过这种现象。天文学家认为，这种现象激起的带电粒子可能会将能量带入日冕，使其温度升高到惊人的程度。

理论 2：纳米耀斑

另一种可能的解释更为戏剧化，有点像太阳拉断了一根巨大的橡皮筋。当太阳等离子体在其上层翻滚和循环时，它会将恒星的磁场线扭曲成打结、杂乱的形状。最终，这些线无法再承受这种压力；一旦它们被扭曲得太厉害，它们就会在称为磁重联的爆炸事件中断裂。这会使带电粒子四处飞散并加热它们，这种情况被称为纳米耀斑，将能量传送到日冕。天文学家已经利用现代太空望远镜和卫星观测到了一些纳米耀斑的例子。

日冕加热之谜仍在继续

就像自然界通常的情况一样，太阳似乎不只是发射阿尔文波或产生纳米耀斑——它很可能同时发射阿尔文波和纳米耀斑。天文学家只是不知道这两种事件发生的频率。

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但他们可能很快就会得到一些直接的答案。帕克太阳探测器于 2018 年发射，其任务是接触太阳，比以往任何时候都更接近我们的恒星。它目前正在飞越日冕的一些外部部分，首次近距离观察可能导致极端温度的粒子运动。该任务已经穿过太阳大气层一次，并将继续绕行几年——提供关键信息，帮助科学家一劳永逸地解决日冕加热问题。

黄先生表示：“我非常有信心，我们能在未来十年取得巨大进步。”