太阳涟漪搅起人间恩怨 | 赛先生天文

图片来源： 存在了46亿年的太阳，图片来源： Pixabay

从地球上遥望，太阳似乎非常平静。 但实际上，这一星体不乏各类剧烈爆发现象，如耀斑和日冕物质抛射。 此类现象常常引发全球尺度的波动，而这些波动不但引发了天文学家广泛的兴趣，也带来了长达二十余年的争论。 陈鹏飞（南京大学） | 撰 文
王馨心、吕浩然 | 责 编 太阳亿万年如一日地照耀着地球，让生命得以孕育，文明得以延续。 然而，肉眼中亘古不变的太阳只是表象。 如果用极紫外或X射线来观测的话，太阳会显示出变幻莫测的另一副景象： 在500公里厚的太阳表面光球层之上是比较薄的色球层，厚度仅1500公里，而在色球之上便急剧过渡到一直向外延伸的日冕，厚度可达百万公里以上。 无论是在色球层还是在日冕中，都存在着大量的爆发现象。一般来说，地震的强度越高，发生频次就越低，太阳爆发现象也是如此。小爆发此起彼伏，而大爆发，包括很强的太阳耀斑和日冕物质抛射，则只是偶尔发生。 如下图所示，耀斑是太阳大气中的局部增亮现象，其能量与百亿颗原子弹爆发相当。日冕物质抛射则是几十亿吨的日冕物质以几百上千公里每秒的速度往外抛射。

图1：太阳耀斑和日冕物质抛射现象（右图中的小圆圈代表太阳）。图片来源：SDO及SOHO

我们知道，任何扰动都会激发波动。 例如，当雨点落入湖面，湖面便泛起一个个涟漪。 太阳耀斑和日冕物质抛射这些剧烈的爆发现象，肯定也会在太阳大气中激发各种波动。 跟地表的空气不同，太阳大气是等离子体（固体、液体和气体之外的物质第四态），由带正负电荷的粒子组成。 在空气中，扰动产生的是声波，而在等离子体中，声波和磁场耦合在一起，变成磁声波。 这些磁声波，时时刻刻扰动着太阳系内的星球，也包括我们所在的地球。
SAIXIANSHENG 太阳中的莫尔顿波
1960年代初，美国天文学家盖尔·莫尔顿（Gail Moreton）发现，当大耀斑发生时，在太阳表面的色球中可以观测到一个波，后人称之为莫尔顿波。这种波的强度很弱，但传播速度高达1千公里每秒，且传播距离跟太阳半径相当 [1] 。
起初，这些特征给研究人员带来了很大的困惑，这是因为色球中的磁声波速度仅100公里每秒左右，如果在色球中观测到的莫尔顿波真的是在色球中传播的磁声波的话，那它只能是马赫数约为10的强激波。如此强的激波对应的扰动应该很强，且衰减得很快，因此无法传播很远的距离。可这就和莫尔顿波的观测特征相矛盾了。 这个难题一直到1968年才由日本天文学家内田豊（Yutaka Uchida）解决 [2] 。他指出，太阳耀斑首先在日冕中激发磁声波，该磁声波的足点扫过太阳表面色球层。由于日冕中磁声波的速度大约是1千公里每秒，色球所受到的扰动也就同样以1千公里每秒的速度传播，就好比原子弹爆炸后冲击波以几十公里每秒的速度扫过地面。这个速度是由冲击波在空气中的传播速度决定的，而不是由声波在地面中的特性决定的。 内田豊的模型虽然有些小瑕疵，但大体框架是正确的。根据这个模型，在太阳表面色球中出现莫尔顿波时，日冕中必定也存在一个波（我倾向称之为日冕莫尔顿波），正是这个日冕磁声波扫过太阳表面才产生了莫尔顿波。很可惜，由于日冕太稀薄，在此后的二十多年里都未能实现对日冕的高精度观测，也就没有探测到理论上应该存在的日冕莫尔顿波。 SAIXIANSHENG 发现与争论
1995年底，欧美联合发射了太阳和日球层探测器（Solar and Heliospheric Observatory，简称SOHO卫星），搭载的极紫外成像望远镜（简称EIT望远镜）能够对日冕进行比较高精度的观测。美国天文学家芭芭拉·汤普森及其合作者在利用EIT望远镜的数据分析一个太阳耀斑时，赫然发现一个近乎圆形的涟漪从耀斑附近往外传播，传播速度约为250公里每秒，如下图所示。由于该波动现象是由EIT望远镜观测到的，他们便称之为“EIT波” [3] 。EIT波是SOHO卫星的重大发现之一。

图2： 一个典型的 EIT波（白色环形结构），其中黑区域中心的亮块是一个耀斑，外部的 圆圈为太阳边缘。 图片来源： SOHO

他们的文章于1998年发表后在太阳物理界引起了广泛的兴趣，同时也带来了二十多年的争论。他们认为EIT波就是内田豊模型预言的日冕莫尔顿波，也就是说EIT波是日冕中的磁声波。在此后的几年时间里，大量天文学家从观测和理论等不同角度去论证EIT波就是日冕磁声波。 然而，就在整个太阳物理界几乎要达成共识之际，怀疑的声音悄然出现。1999年，法国博士后塞西莉亚·迪兰妮（Cecilia Delannee）发现EIT波有时会突然停下来，而磁声波是不可能停下来的，就像声音即使碰到墙壁也会穿墙而过一样。据此，她认为EIT波不是磁声波。更为重要的是，德国天文学家在2000年发现EIT波的平均速度只有日冕磁声波速度的三分之一。这两个观测特征是磁声波模型难以跨越的鸿沟。 此后，其它的模型也纷纷被提出，但磁声波模型的拥护者们一直初心不改。他们这么做也有一定的道理：我们人说话都会产生声波，太阳爆发那么剧烈，肯定会在日冕中激发磁声波，而EIT望远镜只观测到了EIT波，那EIT波就应该是磁声波。 SAIXIANSHENG 我们的磁拉伸模型
美籍华人、太阳物理学家吴式灿教授在2000年发表的文章中认为EIT波是磁声波。 2001年我们决定对EIT波进行合作研究。 只是我那时年少衣衫薄，初生牛犊不怕虎，坚信法国博士后的怀疑，一心想探索EIT波的新机制，全然不顾当初的国际主流观点是磁声波模型。
探索过程并不顺畅，我做了各种尝试，都没能得到理想的结果。转机出现在2002年初，我通过计算机模拟发现，日珥抛射产生日冕物质抛射时，会在日冕中产生两种波动现象，一快一慢。快的就是磁声波，而随后的波其传播速度只有磁声波的三分之一。据此，我认为EIT波不是磁声波，而是紧随磁声波之后的慢速波，这样就正好和德国同行的统计结果一致了。 然而，计算机模拟出来的结果和观测一致并不意味着解决了EIT波的属性问题。电脑可以重现观测特征，但它不会告诉我们为什么EIT波的速度是磁声波的三分之一。而这正是电脑无法替代人脑的地方。在结果出来之后好几天之内我都茶饭不思，满脑子想着什么物理过程能产生一个以三分之一磁声波速度传播的波动。终于有一天，在喝茶的时候，灵感突然乍现，我想出了后来引以为豪的磁拉伸模型。 在下图中，太阳上有一个凸起的结构，被称作日珥（即球顶蓝色凸起）。日珥上方的红线为日冕中的磁力线。当日珥向上抛射时，其上方所有磁力线都将被推着往外拉伸（只有磁力线的足点固定在太阳表面）。我们的磁拉伸模型来自两个设问： 问题1，随着日珥向上抛射，哪些磁力线先被推着拉伸，哪些磁力线后被推着拉伸？ 问题2，对同一根磁力线而言，哪个部位先被推开，哪个部位后被推开？

图3：日珥上方的磁力线（红线）分布。图片来源：作者供图

相信很多人都会得到正确的答案： （1）越靠近日珥的磁力线越早被推着往外拉伸； （2）对任何一根磁力线而言，顶部先被推着拉伸，之后才传到足点。 而这便顺理成章地得到我们的模型： 如下图所示，日珥往上抛射后，上方第一根磁力线的顶部（A附近）首先被推着向外拉伸。 在此之后，一方面A处的扰动沿着磁力线以磁声波的速度传到足点C，从而在C点形成EIT波的第一个波前，另一方面，A处的扰动也向外以磁声波的形式传到第二根磁力线的顶部B。 同样道理，B处的扰动沿着磁力线传到足点D，从而在D点形成EIT波的第二个波前。 也就是说EIT波不是直接由磁声波从C点水平传到D点，而是由AC产生第一个波前，再由ABD产生第二个波前，以此类推。 图4：日冕EIT波传播的物理过程，图片来源：作者供图 由于传播路径是曲折的，因此EIT波依次在C、D和F点出现的传播速度就慢了。 如果将磁力线近似为半圆环，则EIT波的速度等于CD的距离除以磁声波抵达D点和C点的时间差，这样很容易推导出EIT波的速度正好是磁声波速度的三分之一，完美地解释了EIT波的观测特征！ 藉此，我们在2002年预言：日冕物质抛射发生时，极紫外望远镜应该能观测到两个波，跑得快的是磁声波，正是它激发了色球莫尔顿波，而跟着后面的才是芭芭拉·汤普森发现的EIT波 [4] 。很多人可能会问：为什么当初EIT望远镜没有观测到跑得快的磁声波呢？这是因为EIT望远镜每15分钟才拍照一次，无法抓住快速的磁声波。我们的预言在NASA发射SDO卫星之后得到了大量观测事件的证实 [5] 。从理论预言到大量观测证实，足足等了10年！ SAIXIANSHENG 欣慰的反响
2006年的世界空间科学大会在北京举行，我应邀作关于EIT波的报告。 当我刚开始作报告时，注意到有位外国女士急匆匆地跑到我们所在的会场。 她没有找位子坐下，而是在会场后端靠墙站着，非常专注地听分享。 我之前并没有见过芭芭拉·汤普森女士，也不知道她会来参加会议，但我的第六感告诉我这个人应该就是她。 果不其然，待我演讲结束后她径直过来和我打招呼，告诉我她就是芭芭拉。
2008年我访问美国，芭芭拉邀请我顺访她所在的NASA戈达德飞行中心，那里的太阳物理部是美国太阳物理研究的一个重镇。在我介绍完我的EIT波模型和预言之后，太阳部主任非常高兴，特意让芭芭拉放一天假，带我逛华盛顿。

图5：与发现日冕EIT波的芭芭拉·汤普森博士合影。图片来源：作者提供

SAIXIANSHENG 在争议下共存
尽管我认为EIT波并非磁声波已经是“铁证如山”了，但磁声波模型的支持者们一直在捍卫他们的观点。 瑞士空间科学国际研究所每年都支持跨国团组就争议话题进行研讨。 2014年，磁声波模型的支持者也召集了来自7国的9位同行，组成了一个团组，我是其中唯一的磁声波模型反对者。 2017年我们联合发表了一篇文章，文章的结论是： 除陈鹏飞以外，其他所有作者都认为EIT波是磁声波。

图6：由7国代表组成的EIT波国际研究组在瑞士空间科学国际研究所门前合影。图片来源：作者供图

好多年前，美国一位资深的磁声波模型支持者曾经跟我说： “你看，美国和欧洲好几个反对磁声波模型的年轻人都离开了太阳物理界”。 确实如此，最早质疑磁声波模型的迪兰妮女士因为找不到大学教职，最后去法国一所中学教物理。 英国的阿特里尔女士也离开了太阳物理界，去了英国军方。 美国的威尔斯-戴维女士当年撰写大量文章批评磁声波模型，后来也彻底离开了学术圈。 想当初2008年在加拿大蒙特利尔举行的世界空间科学大会上，组织者邀请了威尔斯-戴维、欧洲的沃穆特和我作报告，就EIT波进行三方辩论，我和她齐刷刷地批驳沃穆特的场景还历历在目。 幸运的是，在我们国家，支持和反对磁声波模型的人相安无事，真正体现了“君子和而不同”。 学术界本来不就应该这样么？
SAIXIANSHENG 结语
一旦真相揭开，真正的物理过程可能简单而优美。 但人们在探索真相的过程中也许会饱经酸甜苦辣，也不可避免地会有让人唏嘘不已的“恩怨情仇”。 太阳搅起的能量涟漪切实影响着我们所在的地球，也搅起了不同思想的激烈碰撞，这一碰就是20余年。

作者简介： 陈鹏飞，南京大学天文与空间科学学院教授，1999年毕业于南京大学天文系，从事太阳爆发现象的研究。担任教育部天文学教指委秘书长、瑞士空间科学国际研究所（ISSI）学术委员会委员、《天文学报》副主编、《中国科学物理力学天文》等期刊编委。 参考文献： （ 上 下滑动可浏览） [1] G. E. Moreton, (196 0), Hα Observations o f Flare-Initiated Disturbances with Velocities ~1000 km/sec, AJ , 65:494  https://doi.org/10.1086/108346 [ 2] U. Uchida, (1968), Propagation of Hydromagnetic Disturbances in the Solar Corona and Moreton's Wave Phenomenon, Solar Physics, 4:30  https://doi.org/10.1007/BF00146996 [3] B. Thompson et al., (1998), SOHO/EIT observations of an Earth-directed coronal mass ejection on May 12, 1997, Geophys. Rev. Lett. , 25:2465 https://doi.org/10.1029/98GL50429 [4] P. F. Chen et al., (2002), Evidence of EIT and Moreton Waves in Numerical Simulations , ApJ , 572:L99  https://doi.org/10.1086/341486 [5] 陈鹏飞，（2023），“太阳大气中的莫尔顿波与极紫外波？ ”，《地球与行星物理论评》，54:355 https://www.sjdz.org.cn/cn/article/doi/10.19975/j.dqyxx.2022-066
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