太阳耀斑源于“翻江倒海”的湍流

当太阳爆发耀斑时，充满带电粒子的熔浆从太阳表面向外喷发，太阳磁场的活动规律似乎不完全与目前被人们广泛认知的物理定律相符合，依据目前熔浆流体冻结理论的解释，太阳耀斑磁力线以一体化和不间断的状态从太阳磁场喷涌而出，磁力线的溢出有一定的节律和锁定的步骤，没有与太阳磁场产生真正的分离。似乎与太阳磁力线溢出的理论解释不同，科学家发现太阳耀斑磁力线有时分离了太阳磁场，分离后又快速地与太阳磁场重新连接，长期以来，分离和重合的磁场现象困扰了天体物理学家的认知。

5月23日，一篇发表在《自然》杂志的论文重新审视了太阳耀斑的发生机制，约翰·霍普金斯大学的数学物理学家格雷戈里·埃英克带领了一支科学团队，在神秘太阳耀斑现象的背后找到了关键的线索，湍流是太阳耀斑发生的根源，暴戾凶猛的太阳湍流与一架喷气式客机卷入大气层的湍流有相同的性质，大气层湍流可能将一架客机肢解成碎片，造成严重的空难事故。跨学科的科学团队使用了复杂的计算机系统，对太阳磁场和耀斑湍流的相互作用进行了模拟，构建了太阳耀斑发生机理的物理模型，解开了目前的熔浆流体冻结理论难以解开的谜题。

熔浆流体的冻结理论十分成功地解释了耀斑产生的机理，然而，理论的解释在其它的情形中似乎并不成立，存在明显的遗憾和不足之处，跨学科科学团队制定的科研目标是找出冻结理论出现偏差的原因。70年以前，汉尼斯·阿尔文提出了熔浆流体冻结理论，为此荣获了诺贝尔物理学奖，他的研究成果得到了科学界的认可，阿尔文认为太阳耀斑磁力线好像一条顺势而下的河流，流动的液体好像一条条线状的玻璃纤维，太阳磁力线汇聚成了一条“河流”，好似抽水断流水更流，磁力线“水流”难以分离，总能重新融合。

科学团队发现，阿尔文的理论解释在汹涌翻滚的太阳耀斑得不到持续的验证，他们在观测中确定了一个事实，耀斑磁力线可以发生彼此的分离，从磁场脱离的磁力线好似拉伸的橡皮筋，仅在15分钟的时间内，暂时分离的磁力线重新连接起来，在磁力线异常凶猛的分离过程释放了大量能量，形成了太阳耀斑的动力之源。依据阿尔文的熔浆流体冻结理论的解释，在现代等离子体物理学的基础上推算，在太阳日冕层发生的耀斑经过了100万年多的时间。阿尔文的理论有一个疑难，在一些情形中有效，而在另一些情形中无效。

有必要证实湍流在耀斑形成中扮演的角色，用湍流理论预测耀斑的属性，埃里克召集了由一支由天体物理学、机械工程学、数据管理和计算机科学的研究人员组成的科学团队，以约翰·霍普金斯大学为中心，联合了世界上多家研究机构，作为一次高度合作的尝试，团队的每个成员贡献了自己的专长，单凭一个人的特长难以达成既定的研究目标。经过计算机技术的模拟，团队成员复制了太阳耀斑内部由带电粒子构成的等离子体，模拟实验的太阳耀斑等离子体变得暗流汹涌，阿尔文的熔浆流体冻结理论不再适用。

多数物理学家期待着太阳耀斑等离子体出现波涛翻涌的景象，更高的传导性更好地符合了熔浆流体冻结理论的预期，事实恰好相反，太阳耀斑等离子体发生了完全的分离，磁力线随意摆动，几乎没有任何的运动规律，好像在量子力学中出现的不可预期现象，没有可以预测的秩序，但也不是彻底的混乱或混沌，磁力线的运动好像火灾发生的情形，一团团的烟雾在火焰的上空翻涌和滚动。有些学者相信，可能有解释太阳耀斑现象的其它理论，但湍流理论十分引人入胜，很好地解释了磁力线的分离现象。不同学科的合作研究方式有独到之处，团队成员在解开太阳耀斑谜团时使用了创新的数据处理方法，在斯隆数字巡天计划中曾采用过这一技术。

科学团队使用了高性能计算机，应用了基础数学的工具，融合了不同的学科，物理学、数学和计算机科学等学科组成了大学科，处理了十分庞大的实验数据，通过新的科学合作方式更好地解释了太阳耀斑的发生机制。从太阳日冕层喷发了大量的离子体，汇聚成强大的“太空气象”，太阳风暴可能引发地球磁暴，在太空活动的宇航员因此受到极大的危害，地球磁暴可能击毁通讯卫星，摧毁地面的电网系统，造成大规模的停电现象。出于研究太阳耀斑和地球磁暴的科学价值，加拿大科学和工程研究委员会、美国国家科学基金会和霍普金斯大学的数据密集工程和科学研究所和微软研究基金会为跨国和跨学科的科学团队给以了经费支持。

（编译：2021-5-23）

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