五千年華夏文明一直對(duì)天文科學(xué)進(jìn)行著不懈探索,《易經(jīng)》《漢書》等中國古籍保存著關(guān)于太陽中存在的黑子世界最早、最系統(tǒng)的記載。如今,隨著哈工大(深圳)空間科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)研究院教授馮學(xué)尚與副教授袁丁面向“太陽日冕加熱問題”,利用全球口徑的太陽望遠(yuǎn)鏡和高性能計(jì)算機(jī)模擬手段,提出了太陽等離子體加熱的革新性物理機(jī)制,中國人對(duì)太陽的研究又更進(jìn)一步。

　　發(fā)表雜志《自然·天文學(xué)》(Nature Astronomy)內(nèi)頁截圖

　　5月25日,該成果以“Transverse Oscillations and Energy Source in a Strongly Magnetized Sunspot”《強(qiáng)磁化太陽黑子中的橫模振蕩與能量源》為題發(fā)表在《自然·天文學(xué)》上,哈工大(深圳)副教授袁丁為第一兼通訊作者,碩士研究生付立博為第二作者,教授馮學(xué)尚和博士后Blazej Kuzma為合作作者。記者了解到,這項(xiàng)研究集合了歐洲、美國等多國科學(xué)家、科研機(jī)構(gòu)的共同努力。哈工大(深圳)空間科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)研究院馮學(xué)尚教授與袁丁副教授作為課題發(fā)起者,承擔(dān)了“總設(shè)計(jì)師”的工作,助人類理解太陽再上臺(tái)階。

　　“日冕加熱問題”意義重大

　　“中國探月工程”已成功從月球帶回了月壤。月亮越來越“近”,那么太陽呢?哈工大(深圳)空間科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)研究院副教授袁丁告訴記者,目前人類對(duì)太陽的研究仍停留在“初級(jí)階段”。“現(xiàn)階段,我們研究太陽主要服務(wù)航空宇航、通訊導(dǎo)航等領(lǐng)域。隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人類在太空中的資產(chǎn)越來越多,如空間衛(wèi)星、空間站、月球(火星)基地,與之相隨的是龐大的數(shù)字經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈。而太陽的活動(dòng)直接威脅著人類的太空資產(chǎn)。太陽風(fēng)暴來襲,電力網(wǎng)絡(luò)或通訊系統(tǒng)受損,我們將面臨沒有電力、通信、互聯(lián)網(wǎng)和社交媒體的生活。”

　　太陽黑子中本影纖維在強(qiáng)磁區(qū)域橫向震蕩,攜帶巨大的能量

　　太陽是一個(gè)由氫組成的氣體球,其能量均來自于太陽內(nèi)部的核聚變反應(yīng)——能量由內(nèi)向外傳輸,從太陽內(nèi)核到太陽表面(光球?qū)?,溫度從1600多萬攝氏度降低到5000多攝氏度。日冕處于光球?qū)又��?距離內(nèi)核的熱源更遠(yuǎn),其溫度應(yīng)該更低。但日冕的實(shí)際溫度卻高達(dá)數(shù)百萬攝氏度,比光球?qū)痈叱?000-10000倍,這就是困擾物理學(xué)界百年的難題——太陽日冕加熱問題。太陽日冕加熱問題是太陽研究領(lǐng)域的“顯學(xué)”,在2012年被SCIENCE《科學(xué)》雜志選為當(dāng)代天文學(xué)的八大未解之謎之一。

　　哈工大(深圳)空間科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)研究院副教授袁丁

　　袁丁本科在哈工大學(xué)習(xí)光信息科學(xué)與技術(shù),在瑞典皇家理工大學(xué)取得核能工程碩士,此后又在英國華威大學(xué)獲得物理學(xué)哲學(xué)博士。復(fù)合、跨學(xué)科的學(xué)習(xí)經(jīng)歷,為他后來研究太陽物理打下了扎實(shí)基礎(chǔ)。2017年,完成學(xué)業(yè)后,袁丁來到哈工大(深圳)空間科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)研究工作。“這是一個(gè)諾獎(jiǎng)級(jí)別的科研主題。” 袁丁說,他長(zhǎng)期關(guān)注日冕加熱問題:日冕為什么那么熱?弄清日冕加熱的原理,將推進(jìn)“人造太陽”相關(guān)科研,人類用上安全、清潔、高效、可持續(xù)的“人造太陽”能源或?qū)⒉辉偈菈?mèng)想�？苹眯≌f《三體》描述的未來世界里,人類造出了可控核聚變裝置——反應(yīng)爐中燃起的“微型太陽”,消耗少量的燃料就能釋放出巨大的熱量用于發(fā)電,這種裝置被稱為“人造太陽”。

　　古德太陽望遠(yuǎn)鏡成“神助攻”

　　關(guān)于日冕加熱問題,科學(xué)界有過眾多假設(shè)、推想以及研究。馮學(xué)尚與袁丁在前人的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步。2018年,袁丁赴美國加州大熊湖天文臺(tái)開展天文觀測(cè),在那里找到了破解謎題的“神助攻”——古德太陽望遠(yuǎn)鏡。古德太陽望遠(yuǎn)鏡口徑為1.6米,是目前世界上正在運(yùn)營的口徑的太陽望遠(yuǎn)鏡,其得天獨(dú)厚的觀測(cè)臺(tái)址和強(qiáng)大的觀測(cè)儀器設(shè)備,為攻克該項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的研究課題提供了可能。袁丁利用古德太陽望遠(yuǎn)鏡的高時(shí)空分辨率觀測(cè)資料,發(fā)現(xiàn)太陽黑子的強(qiáng)磁場(chǎng)中存在周期性橫向運(yùn)動(dòng),即橫模磁流體波。

　　美國大熊湖天文臺(tái)口徑1.6米古德太陽望遠(yuǎn)鏡是世界上口徑的現(xiàn)役太陽望遠(yuǎn)鏡

　　袁丁解釋說,太陽黑子是太陽表面溫度的結(jié)構(gòu),溫度約為4000攝氏度,其上方對(duì)應(yīng)的太陽活動(dòng)區(qū)卻是太陽日冕溫度的區(qū)域,約為200萬至2000萬攝氏度,這樣由太陽黑子和活動(dòng)區(qū)組成的磁場(chǎng)和高溫等離子體耦合結(jié)構(gòu)對(duì)太陽等離子體加熱的條件更加苛刻,這些特征引起了研究團(tuán)隊(duì)的注意。2018年袁丁在美國加州大熊湖天文臺(tái)進(jìn)行天文觀測(cè)時(shí),恰逢太陽黑子活躍周期,他發(fā)現(xiàn)太陽黑子里的本影纖維橫向擺動(dòng),由此產(chǎn)生出巨大能量。“觀測(cè)時(shí)機(jī)很重要。”袁丁說。機(jī)會(huì)總是偏愛有準(zhǔn)備的頭腦。觀測(cè)、查閱數(shù)據(jù)、提出假想并聯(lián)合國際團(tuán)隊(duì)共同研究,最終根據(jù)數(shù)學(xué)建模,計(jì)算出太陽黑子的強(qiáng)磁區(qū)域(約4000高斯)所需驅(qū)動(dòng)力高出太陽其它區(qū)域的100至1000倍,此類運(yùn)動(dòng)所攜帶的能量流約為7500000瓦每平方米,只要千分之一或者萬分之一的能量即可足太陽日冕加熱所需能量流,符合太陽等離子體加熱的要求。

　　“太陽黑子強(qiáng)磁區(qū)域的橫向運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于城市中高樓大廈都在橫向擺動(dòng),此類運(yùn)動(dòng)攜帶了巨大的能量流,只有強(qiáng)烈的地震可以驅(qū)動(dòng)此類運(yùn)動(dòng)。據(jù)此可以想象,太陽黑子強(qiáng)磁場(chǎng)的橫向運(yùn)動(dòng)攜帶著很高的能量。據(jù)團(tuán)隊(duì)估算,該能量流相當(dāng)于7500部空調(diào)全功率炙烤1平方米的面積。”袁丁說。

　　研究成果引發(fā)熱議

　　談及研究的意義,袁丁稱該研究的突破是探測(cè)到比日冕加熱所需能量流強(qiáng)上萬倍的全新能量源,并利用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬重現(xiàn)了該能量源的等離子體加熱效應(yīng),開創(chuàng)了日冕加熱的革新性領(lǐng)域。該研究具備解決日冕加熱問題這一百年物理學(xué)難題的潛力,有望成為下一代4-8米口徑太陽望遠(yuǎn)鏡等大型國際科研設(shè)備的重點(diǎn)科學(xué)目標(biāo)。 據(jù)了解,論文發(fā)表之后,引起了科學(xué)界和公眾密切關(guān)注。Nature雜志社邀請(qǐng)意大利宇航局科學(xué)家Marco Stangalini針對(duì)此研究撰寫評(píng)述,評(píng)價(jià)此研究對(duì)于日冕加熱理論的突破性貢獻(xiàn)和對(duì)于大型地面太陽望遠(yuǎn)鏡建設(shè)的指導(dǎo)意義�！秶�家地理》等十幾家國際媒體和科學(xué)雜志報(bào)道了此項(xiàng)研究。

　　電視劇《三體》劇照

　　該研究探測(cè)到比日冕加熱所需能量流還強(qiáng)的全新能量源,這不禁誘發(fā)聯(lián)想——《三體》中的“人造太陽”會(huì)否因此更加接近現(xiàn)實(shí)?袁丁表示,該成果的確有助于推動(dòng)“人造太陽”的等離子體加熱技術(shù)研發(fā)。等離子體加熱是解釋太陽風(fēng)來源的重要步驟,而太陽風(fēng)為星際旅行提供了重要的燃料。“當(dāng)然,無論是‘人造太陽’還是‘星際旅行’,都不太可能在短期內(nèi)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),但該項(xiàng)研究成果為后續(xù)的研究奠定了非常重要的基礎(chǔ)。”袁丁表示,該成果將相關(guān)科研的“進(jìn)度條”往前推動(dòng)了一步。袁丁同時(shí)透露,該團(tuán)隊(duì)將會(huì)繼續(xù)聚焦日冕加熱領(lǐng)域的科研。“下一步,團(tuán)隊(duì)研究的焦點(diǎn)是太陽黑子的全新能量源是否普遍存在。再往前的目標(biāo)則是將該理論應(yīng)用到恒星黑子,利用先進(jìn)的數(shù)學(xué)建模和天文設(shè)備探索恒星黑子的等離子體加熱機(jī)制。”

　　該項(xiàng)目由馮學(xué)尚與袁丁領(lǐng)銜的國際團(tuán)隊(duì)共同完成,研究得到了全球?qū)＜覍W(xué)者的支持:碩士研究生付立博和Blazej Kuzma博士后分別參與了天文數(shù)據(jù)分析和雙流體磁流體數(shù)值模擬工作;哈工大(深圳)空間科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)研究院負(fù)責(zé)天文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和天文數(shù)據(jù)分析工作;新澤西理工大學(xué)(大熊湖天文臺(tái))承擔(dān)古德太陽望遠(yuǎn)鏡的天文觀測(cè)和數(shù)據(jù)校準(zhǔn)工作;西班牙加納利天文物理研究所承擔(dān)斯托克斯光學(xué)反演和建模工作;波蘭居里夫人大學(xué)物理學(xué)院負(fù)責(zé)雙流體磁流體數(shù)值模擬工作;比利時(shí)魯汶大學(xué)數(shù)學(xué)系負(fù)責(zé)數(shù)學(xué)建模工作;印度理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)參與了天文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和論文寫作相關(guān)工作;昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院、深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院、國家天文臺(tái)參與了天文數(shù)據(jù)分析等相關(guān)工作�！竟�工大(深圳)空間科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)研究院】