研究人员梅森此前在寻找日冕雨：由等离子体或带电气体组成的巨大球体，这些气体从太阳的外层大气滴落回太阳表面。但她希望能在头盔垂饰中找到它，这是一种100万英里高的磁环，因其与骑士尖尖的头盔相似而得名。计算机模拟预测那里会有日冕雨。对太阳风(从太阳中逸出并进入太空的气体)的观测表明，可能正在下雨。如果能找到它，那么潜在的降雨物理现象将会对太阳外层大气(被称为日冕)比其表面温度高得多这一有着70年历史的神秘现象产生重大影响。
博科园：但经过将近半年的寻找，梅森就是找不到，梅森说：我们花了很多时间寻找一些最终没有发生的事情。事实证明，问题不在于她在寻找什么，而在于她在哪里寻找。研究结果2019年4月5日发表在《天体物理学》上，梅森和合著者描述了第一次观测到日冕雨是在一个更小、以前被忽视的太阳磁环中。在错误的方向上进行了漫长而曲折探索之后，这些发现在日冕异常加热和缓慢太阳风的来源之间建立了新的联系——这是当今太阳能科学面临的最大谜团之一。
太阳上怎么下雨？
通过安装在美国宇航局SDO航天器上的高分辨率望远镜观测到太阳（一个炽热的等离子体球，充满了由巨大火球环所追踪的磁场线）似乎与地球没有多少物理上的相似之处，但是我们的母星提供了一些有用的指南来分析太阳混乱（其中就有雨）。在地球上，降雨只是更大水循环的一部分，这是一场在热和引力之间无休止的拉锯战。当液态水聚集在地球表面的海洋、湖泊或溪流中时，太阳就会加热液态水。其中一些蒸发并上升到大气中，在那里冷却并凝结成云。最终，这些云变得足够重，引力变得不可抗拒，在这个过程重新开始之前，水以雨的形式落回地球。
而在太阳上，日冕雨也有类似的作用，但不是60度的水，而是100万度（℃）的等离子体。等离子体是一种带电气体，它不像水一样聚集在一起，而是沿着太阳表面形成的磁环运动，就像轨道上的过山车。在环的脚点，也就是它与太阳表面相连的地方，等离子体被过热，温度从几千华氏度到180多万华氏度不等。然后，它扩大了回路，并在远离热源的地方聚集到它的峰值。当等离子体冷却时，它会凝结，重力会把它吸引到循环的腿上，形成日冕雨。梅森一直在寻找头盔饰带上的日冕雨，但她去那里寻找日冕雨的动机更多地是由于这种潜在加热和冷却循环，而不是雨本身。
梅森用头盔上的彩带寻找日冕雨，就像这张图片左边的彩带一样。这张照片拍摄于1994年的日食期间，从南美拍摄。一个较小的伪流光出现在西翼(图像右侧)。由于它们与骑士的尖顶头盔相似而得名，头盔上的流线型延伸到遥远的太阳微弱的日冕中，当来自太阳明亮表面的光线被遮挡时，它们最容易被看到。图片：©1994 Úpice observatory and Vojtech Rušin, ©2007 Miloslav Druckmüller
至少从20世纪90年代中期开始，科学家们就知道头盔上的流光是慢太阳风的一个来源。慢太阳风是一种相对较慢、密度较大的气体流，它会从快速移动的太阳中分离出来。但是，对缓慢太阳风气体的测量显示，在冷却和逃离太阳之前，它曾经被加热到一个极端程度。日冕雨后的加热和冷却循环过程，如果是发生在头盔垂饰内部，将是一个谜。另一个原因与日冕加热问题有关——太阳外层大气温度是其表面温度的300倍，这是一个谜。令人惊讶的是，模拟显示，日冕雨只有在循环的最底部加热时才会形成。如果一个环流上有日冕降水，那就意味着它的底部10%，或者更少，是日冕加热发生的地方。雨环提供了一个测量杆，一个确定日冕加热位置的截止点。
在能找到最大的循环中开始搜索（巨大的头盔链）似乎是一个适中的目标，一个能使他们成功机会最大化的目标。研究人员有最适合这项工作的数据：美国宇航局太阳动力学观测站(SDO)拍摄的照片。但在搜寻工作进行了将近半年之后，梅森仍然没有在头盔垂饰上发现一滴雨。然而，她注意到许多她不熟悉的微小磁性结构。梅森说：它们真的很亮，一直吸引着我的目光，当我最终看到它们时，可以肯定它们一次下了几十个小时的雨。起初，梅森是如此专注于头盔流光任务，没有做任何观察。戈达德的太阳能科学家、论文的合著者尼克尔琳·维尔(Nicholeen Viall)说：
日冕雨，就像这张2012年美国宇航局SDO拍摄的电影中所显示的那样，有时是在太阳爆发后观测到。太阳爆发后，与太阳耀斑相关的强烈加热突然中断，剩下的等离子体冷却下来，回落到太阳表面。梅森在寻找日冕雨，它与火山爆发无关，而是由类似地球水循环的加热和冷却循环过程引起。图片：Credits: NASA's Solar Dynamics Observatory/Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman, Lead Animator
在小组会议上说，从来没有发现过它——在这些其他结构中一直能看到它，但它们不是头盔上的彩带。我说，等等……等一等，你在哪里看到的？我想以前从来没有人见过这种事！这些结构不同于头盔饰带在几个方面，但最引人注目的是它们的体型，所以这说明日冕的加热比我们想象的要局限得多。虽然这些发现并没有确切说明日冕是如何被加热的，但“它们确实降低了日冕加热可能发生的地方”。发现雨环有3万英里高，只有她最初寻找一些头盔饰带的2%高。雨水凝结了关键日冕加热发生的区域。梅森说：我们仍然不知道到底是什么在加热日冕，但是我们知道它一定是在这一层发生的。
慢太阳风的新来源
但有一部分观察结果与之前的理论并不相符。根据目前的理解，日冕雨只在封闭的循环中形成，在那里等离子体可以聚集并冷却，而没有任何逃逸途径。但是当梅森仔细筛选数据时，她发现了一些在开阔的磁力线上形成雨的例子。只有一端固定在太阳上，这些开放磁场线的另一端被送入太空，那里的等离子体可以逃逸到太阳风中。为了解释这一异常现象，梅森和团队提出了另一种解释——将这些微小磁性结构上的降雨与慢太阳风的起源联系起来。在新解释中，降雨等离子体以一个闭合的回路开始它的旅程，但是通过一个称为磁重联过程切换到一个开放的回路。
梅森分析了三次对雨零点拓扑结构(RNTPs)的观测结果。在这些相对较小磁环中观测到的日冕雨表明，日冕可能在一个比先前预计的更有限区域内被加热。图片：NASA's Solar Dynamics Observatory/Emily Mason
这种现象经常发生在太阳上，当一个闭合回路撞上一个开放的电场线，系统就会重新布线。突然，闭环上的过热等离子体发现自己在一条开放的磁场线上，就像一列火车改变了轨道。其中一些等离子体将迅速膨胀、冷却，并以日冕雨的形式返回太阳。但怀疑，其他部分将会逃脱——形成慢太阳风的一部分。梅森目前正在对这一新解释进行计算机模拟，但她也希望即将到来的观测证据能够证实这一解释。帕克太阳探测器于2018年发射升空，它比之前的任何航天器都更接近太阳，它可以穿越缓慢的太阳风爆发，而这些太阳风可以追溯到太阳——这可能是梅森的日冕雨事件之一。
挖掘数据
关于在头盔垂饰中发现日冕雨？搜索仍在继续，模拟结果很清楚：雨应该在那里，也许它太小了，你看不见？但话又说回来，如果梅森找到了她要找的东西，她可能就不会有这个发现了——或者她花了那么多时间来研究太阳数据的来龙去脉。梅森说：这听起来很艰难，但说实话，这是我最喜欢的事情；我的意思是，这就是为什么我们建造了这样一个可以拍摄这么多太阳照片的东西，这样我们就可以看着它们，然后找出答案。
博科园-科学科普｜研究/来自: 美国宇航局的戈达德太空飞行中心/Miles Hatfield
参考期刊文献:《天体物理学》
DOI: 10.3847/2041-8213/ab0c5d
发表于 2019-4-7 00:22
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