太陽(yáng)漣漪攪起人間恩怨 | 賽先生天文
太陽(yáng)億萬(wàn)年如一日地照耀著地球，讓生命得以孕育，文明得以延續(xù)。然而，肉眼中亙古不變的太陽(yáng)只是表象。如果用極紫外或X射線來(lái)觀測(cè)的話(huà)，太陽(yáng)會(huì)顯示出變幻莫測(cè)的另一副景象：在500公里厚的太陽(yáng)表面光球?qū)又鲜潜容^薄的色球?qū)?，厚度僅1500公里，而在色球之上便急劇過(guò)渡到一直向外延伸的日冕，厚度可達(dá)百萬(wàn)公里以上。
無(wú)論是在色球?qū)舆€是在日冕中，都存在著大量的爆發(fā)現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，地震的強(qiáng)度越高，發(fā)生頻次就越低，太陽(yáng)爆發(fā)現(xiàn)象也是如此。小爆發(fā)此起彼伏，而大爆發(fā)，包括很強(qiáng)的太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射，則只是偶爾發(fā)生。
如下圖所示，耀斑是太陽(yáng)大氣中的局部增亮現(xiàn)象，其能量與百億顆原子彈爆發(fā)相當(dāng)。日冕物質(zhì)拋射則是幾十億噸的日冕物質(zhì)以幾百上千公里每秒的速度往外拋射。
我們知道，任何擾動(dòng)都會(huì)激發(fā)波動(dòng)。例如，當(dāng)雨點(diǎn)落入湖面，湖面便泛起一個(gè)個(gè)漣漪。太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射這些劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象，肯定也會(huì)在太陽(yáng)大氣中激發(fā)各種波動(dòng)。跟地表的空氣不同，太陽(yáng)大氣是等離子體（固體、液體和氣體之外的物質(zhì)第四態(tài)），由帶正負(fù)電荷的粒子組成。在空氣中，擾動(dòng)產(chǎn)生的是聲波，而在等離子體中，聲波和磁場(chǎng)耦合在一起，變成磁聲波。這些磁聲波，時(shí)時(shí)刻刻擾動(dòng)著太陽(yáng)系內(nèi)的星球，也包括我們所在的地球。
1960年代初，美國(guó)天文學(xué)家蓋爾·莫爾頓（Gail Moreton）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大耀斑發(fā)生時(shí)，在太陽(yáng)表面的色球中可以觀測(cè)到一個(gè)波，后人稱(chēng)之為莫爾頓波。這種波的強(qiáng)度很弱，但傳播速度高達(dá)1千公里每秒，且傳播距離跟太陽(yáng)半徑相當(dāng)[1]。
起初，這些特征給研究人員帶來(lái)了很大的困惑，這是因?yàn)樯蛑械拇怕暡ㄋ俣葍H100公里每秒左右，如果在色球中觀測(cè)到的莫爾頓波真的是在色球中傳播的磁聲波的話(huà)，那它只能是馬赫數(shù)約為10的強(qiáng)激波。如此強(qiáng)的激波對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)應(yīng)該很強(qiáng)，且衰減得很快，因此無(wú)法傳播很遠(yuǎn)的距離?？蛇@就和莫爾頓波的觀測(cè)特征相矛盾了。
這個(gè)難題一直到1968年才由日本天文學(xué)家內(nèi)田豊（Yutaka Uchida）解決[2]。他指出，太陽(yáng)耀斑首先在日冕中激發(fā)磁聲波，該磁聲波的足點(diǎn)掃過(guò)太陽(yáng)表面色球?qū)?。由于日冕中磁聲波的速度大約是1千公里每秒，色球所受到的擾動(dòng)也就同樣以1千公里每秒的速度傳播，就好比原子彈爆炸后沖擊波以幾十公里每秒的速度掃過(guò)地面。這個(gè)速度是由沖擊波在空氣中的傳播速度決定的，而不是由聲波在地面中的特性決定的。
內(nèi)田豊的模型雖然有些小瑕疵，但大體框架是正確的。根據(jù)這個(gè)模型，在太陽(yáng)表面色球中出現(xiàn)莫爾頓波時(shí)，日冕中必定也存在一個(gè)波（我傾向稱(chēng)之為日冕莫爾頓波），正是這個(gè)日冕磁聲波掃過(guò)太陽(yáng)表面才產(chǎn)生了莫爾頓波。很可惜，由于日冕太稀薄，在此后的二十多年里都未能實(shí)現(xiàn)對(duì)日冕的高精度觀測(cè)，也就沒(méi)有探測(cè)到理論上應(yīng)該存在的日冕莫爾頓波。
1995年底，歐美聯(lián)合發(fā)射了太陽(yáng)和日球?qū)犹綔y(cè)器（Solar and Heliospheric Observatory，簡(jiǎn)稱(chēng)SOHO衛(wèi)星），搭載的極紫外成像望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱(chēng)EIT望遠(yuǎn)鏡）能夠?qū)θ彰徇M(jìn)行比較高精度的觀測(cè)。美國(guó)天文學(xué)家芭芭拉·湯普森及其合作者在利用EIT望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)分析一個(gè)太陽(yáng)耀斑時(shí)，赫然發(fā)現(xiàn)一個(gè)近乎圓形的漣漪從耀斑附近往外傳播，傳播速度約為250公里每秒，如下圖所示。由于該波動(dòng)現(xiàn)象是由EIT望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的，他們便稱(chēng)之為“EIT波”[3]。EIT波是SOHO衛(wèi)星的重大發(fā)現(xiàn)之一。
他們的文章于1998年發(fā)表后在太陽(yáng)物理界引起了廣泛的興趣，同時(shí)也帶來(lái)了二十多年的爭(zhēng)論。他們認(rèn)為EIT波就是內(nèi)田豊模型預(yù)言的日冕莫爾頓波，也就是說(shuō)EIT波是日冕中的磁聲波。在此后的幾年時(shí)間里，大量天文學(xué)家從觀測(cè)和理論等不同角度去論證EIT波就是日冕磁聲波。
然而，就在整個(gè)太陽(yáng)物理界幾乎要達(dá)成共識(shí)之際，懷疑的聲音悄然出現(xiàn)。1999年，法國(guó)博士后塞西莉亞·迪蘭妮（Cecilia Delannee）發(fā)現(xiàn)EIT波有時(shí)會(huì)突然停下來(lái)，而磁聲波是不可能停下來(lái)的，就像聲音即使碰到墻壁也會(huì)穿墻而過(guò)一樣。據(jù)此，她認(rèn)為EIT波不是磁聲波。更為重要的是，德國(guó)天文學(xué)家在2000年發(fā)現(xiàn)EIT波的平均速度只有日冕磁聲波速度的三分之一。這兩個(gè)觀測(cè)特征是磁聲波模型難以跨越的鴻溝。
此后，其它的模型也紛紛被提出，但磁聲波模型的擁護(hù)者們一直初心不改。他們這么做也有一定的道理：我們?nèi)苏f(shuō)話(huà)都會(huì)產(chǎn)生聲波，太陽(yáng)爆發(fā)那么劇烈，肯定會(huì)在日冕中激發(fā)磁聲波，而EIT望遠(yuǎn)鏡只觀測(cè)到了EIT波，那EIT波就應(yīng)該是磁聲波。
美籍華人、太陽(yáng)物理學(xué)家吳式燦教授在2000年發(fā)表的文章中認(rèn)為EIT波是磁聲波。2001年我們決定對(duì)EIT波進(jìn)行合作研究。只是我那時(shí)年少衣衫薄，初生牛犢不怕虎，堅(jiān)信法國(guó)博士后的懷疑，一心想探索EIT波的新機(jī)制，全然不顧當(dāng)初的國(guó)際主流觀點(diǎn)是磁聲波模型。
探索過(guò)程并不順暢，我做了各種嘗試，都沒(méi)能得到理想的結(jié)果。轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在2002年初，我通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)，日珥拋射產(chǎn)生日冕物質(zhì)拋射時(shí)，會(huì)在日冕中產(chǎn)生兩種波動(dòng)現(xiàn)象，一快一慢?？斓木褪谴怕暡?，而隨后的波其傳播速度只有磁聲波的三分之一。據(jù)此，我認(rèn)為EIT波不是磁聲波，而是緊隨磁聲波之后的慢速波，這樣就正好和德國(guó)同行的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致了。
然而，計(jì)算機(jī)模擬出來(lái)的結(jié)果和觀測(cè)一致并不意味著解決了EIT波的屬性問(wèn)題。電腦可以重現(xiàn)觀測(cè)特征，但它不會(huì)告訴我們?yōu)槭裁碋IT波的速度是磁聲波的三分之一。而這正是電腦無(wú)法替代人腦的地方。在結(jié)果出來(lái)之后好幾天之內(nèi)我都茶飯不思，滿(mǎn)腦子想著什么物理過(guò)程能產(chǎn)生一個(gè)以三分之一磁聲波速度傳播的波動(dòng)。終于有一天，在喝茶的時(shí)候，靈感突然乍現(xiàn)，我想出了后來(lái)引以為豪的磁拉伸模型。
在下圖中，太陽(yáng)上有一個(gè)凸起的結(jié)構(gòu)，被稱(chēng)作日珥（即球頂藍(lán)色凸起）。日珥上方的紅線為日冕中的磁力線。當(dāng)日珥向上拋射時(shí)，其上方所有磁力線都將被推著往外拉伸（只有磁力線的足點(diǎn)固定在太陽(yáng)表面）。我們的磁拉伸模型來(lái)自?xún)蓚€(gè)設(shè)問(wèn)：
問(wèn)題1，隨著日珥向上拋射，哪些磁力線先被推著拉伸，哪些磁力線后被推著拉伸？
問(wèn)題2，對(duì)同一根磁力線而言，哪個(gè)部位先被推開(kāi)，哪個(gè)部位后被推開(kāi)？
相信很多人都會(huì)得到正確的答案：（1）越靠近日珥的磁力線越早被推著往外拉伸；（2）對(duì)任何一根磁力線而言，頂部先被推著拉伸，之后才傳到足點(diǎn)。而這便順理成章地得到我們的模型：如下圖所示，日珥往上拋射后，上方第一根磁力線的頂部（A附近）首先被推著向外拉伸。在此之后，一方面A處的擾動(dòng)沿著磁力線以磁聲波的速度傳到足點(diǎn)C，從而在C點(diǎn)形成EIT波的第一個(gè)波前，另一方面，A處的擾動(dòng)也向外以磁聲波的形式傳到第二根磁力線的頂部B。同樣道理，B處的擾動(dòng)沿著磁力線傳到足點(diǎn)D，從而在D點(diǎn)形成EIT波的第二個(gè)波前。也就是說(shuō)EIT波不是直接由磁聲波從C點(diǎn)水平傳到D點(diǎn)，而是由AC產(chǎn)生第一個(gè)波前，再由ABD產(chǎn)生第二個(gè)波前，以此類(lèi)推。
圖4：日冕EIT波傳播的物理過(guò)程，圖片來(lái)源：作者供圖
由于傳播路徑是曲折的，因此EIT波依次在C、D和F點(diǎn)出現(xiàn)的傳播速度就慢了。如果將磁力線近似為半圓環(huán)，則EIT波的速度等于CD的距離除以磁聲波抵達(dá)D點(diǎn)和C點(diǎn)的時(shí)間差，這樣很容易推導(dǎo)出EIT波的速度正好是磁聲波速度的三分之一，完美地解釋了EIT波的觀測(cè)特征！
藉此，我們?cè)?002年預(yù)言：日冕物質(zhì)拋射發(fā)生時(shí)，極紫外望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該能觀測(cè)到兩個(gè)波，跑得快的是磁聲波，正是它激發(fā)了色球莫爾頓波，而跟著后面的才是芭芭拉·湯普森發(fā)現(xiàn)的EIT波[4]。很多人可能會(huì)問(wèn)：為什么當(dāng)初EIT望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有觀測(cè)到跑得快的磁聲波呢？這是因?yàn)镋IT望遠(yuǎn)鏡每15分鐘才拍照一次，無(wú)法抓住快速的磁聲波。我們的預(yù)言在NASA發(fā)射SDO衛(wèi)星之后得到了大量觀測(cè)事件的證實(shí)[5]。從理論預(yù)言到大量觀測(cè)證實(shí)，足足等了10年！
2006年的世界空間科學(xué)大會(huì)在北京舉行，我應(yīng)邀作關(guān)于EIT波的報(bào)告。當(dāng)我剛開(kāi)始作報(bào)告時(shí)，注意到有位外國(guó)女士急匆匆地跑到我們所在的會(huì)場(chǎng)。她沒(méi)有找位子坐下，而是在會(huì)場(chǎng)后端靠墻站著，非常專(zhuān)注地聽(tīng)分享。我之前并沒(méi)有見(jiàn)過(guò)芭芭拉·湯普森女士，也不知道她會(huì)來(lái)參加會(huì)議，但我的第六感告訴我這個(gè)人應(yīng)該就是她。果不其然，待我演講結(jié)束后她徑直過(guò)來(lái)和我打招呼，告訴我她就是芭芭拉。
2008年我訪問(wèn)美國(guó)，芭芭拉邀請(qǐng)我順訪她所在的NASA戈達(dá)德飛行中心，那里的太陽(yáng)物理部是美國(guó)太陽(yáng)物理研究的一個(gè)重鎮(zhèn)。在我介紹完我的EIT波模型和預(yù)言之后，太陽(yáng)部主任非常高興，特意讓芭芭拉放一天假，帶我逛華盛頓。
盡管我認(rèn)為EIT波并非磁聲波已經(jīng)是“鐵證如山”了，但磁聲波模型的支持者們一直在捍衛(wèi)他們的觀點(diǎn)。瑞士空間科學(xué)國(guó)際研究所每年都支持跨國(guó)團(tuán)組就爭(zhēng)議話(huà)題進(jìn)行研討。2014年，磁聲波模型的支持者也召集了來(lái)自7國(guó)的9位同行，組成了一個(gè)團(tuán)組，我是其中唯一的磁聲波模型反對(duì)者。2017年我們聯(lián)合發(fā)表了一篇文章，文章的結(jié)論是：除陳鵬飛以外，其他所有作者都認(rèn)為EIT波是磁聲波。
好多年前，美國(guó)一位資深的磁聲波模型支持者曾經(jīng)跟我說(shuō)：“你看，美國(guó)和歐洲好幾個(gè)反對(duì)磁聲波模型的年輕人都離開(kāi)了太陽(yáng)物理界”。確實(shí)如此，最早質(zhì)疑磁聲波模型的迪蘭妮女士因?yàn)檎也坏酱髮W(xué)教職，最后去法國(guó)一所中學(xué)教物理。英國(guó)的阿特里爾女士也離開(kāi)了太陽(yáng)物理界，去了英國(guó)軍方。美國(guó)的威爾斯-戴維女士當(dāng)年撰寫(xiě)大量文章批評(píng)磁聲波模型，后來(lái)也徹底離開(kāi)了學(xué)術(shù)圈。想當(dāng)初2008年在加拿大蒙特利爾舉行的世界空間科學(xué)大會(huì)上，組織者邀請(qǐng)了威爾斯-戴維、歐洲的沃穆特和我作報(bào)告，就EIT波進(jìn)行三方辯論，我和她齊刷刷地批駁沃穆特的場(chǎng)景還歷歷在目。幸運(yùn)的是，在我們國(guó)家，支持和反對(duì)磁聲波模型的人相安無(wú)事，真正體現(xiàn)了“君子和而不同”。學(xué)術(shù)界本來(lái)不就應(yīng)該這樣么？
一旦真相揭開(kāi)，真正的物理過(guò)程可能簡(jiǎn)單而優(yōu)美。但人們?cè)谔剿髡嫦嗟倪^(guò)程中也許會(huì)飽經(jīng)酸甜苦辣，也不可避免地會(huì)有讓人唏噓不已的“恩怨情仇”。太陽(yáng)攪起的能量漣漪切實(shí)影響著我們所在的地球，也攪起了不同思想的激烈碰撞，這一碰就是20余年。
作者簡(jiǎn)介：陳鵬飛，南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授，1999年畢業(yè)于南京大學(xué)天文系，從事太陽(yáng)爆發(fā)現(xiàn)象的研究。擔(dān)任教育部天文學(xué)教指委秘書(shū)長(zhǎng)、瑞士空間科學(xué)國(guó)際研究所（ISSI）學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、《天文學(xué)報(bào)》副主編、《中國(guó)科學(xué)物理力學(xué)天文》等期刊編委。
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