登上《科学》封面！日本科学家找到突破性方法 可提前24小时预测太阳耀斑爆发位置与强度

 

如果你认为预测地球上的天气很难，那预测太阳上的天气——难度可想而知。

今年5月29日，太阳爆发了自2017年10月以来最强的耀斑，这是美国宇航局（NASA）在太阳动力学天文台（SDO）观测到的一次喷发。这一现象引起了许多天文和科学家的担忧——太阳耀斑爆发，对地球可能产生巨大的、危害性的影响。

强烈的太阳耀斑，经常会喷射出像鱼雷一样的带电粒子和等离子体。而理解它们何时以及为什么会从太阳表面爆发，却是天体物理学中最困难的挑战之一。

（图源：NASA戈达德宇航中心）

但是，研究人员在7月31日的《科学》封面杂志上报道，基于太阳耀斑背后的物理原理，一项新技术可以帮助预测太阳耀斑的剧烈辐射爆发。

预测“太空天气”

据悉，日本的一个研究小组提出了一种新的基于物理的技术，可以在很多情况下预测太阳耀斑是否会发生。不仅如此，这项技术还可以确定耀斑将在太阳上爆发的位置，以及大致的强度。

尽管这项研究仍处于概念验证阶段，但计划是在未来几年内将该模型应用到实时太阳耀斑爆炸预报中，这或许可以帮助我们免受下一次“卡灵顿事件”（Carrington Event，1859年）的影响。

大规模的太阳风暴可能造成大范围的电力中断，甚至是卫星停运（危及宇宙飞行器内的宇航员和仪器的安全），同时它也会影响航空旅行和互联网。大多数观点认为，这些太阳风暴是由于太阳外层大气磁场的变化而释放出大量储存的磁场能量而引起的，但可惜的是——即便有了太阳黑子、日冕变化这两天重要线索，此前科学家们依然无法直接测量太阳耀斑的爆发。

如果能够提前预测，那会带来多大的便利？至少研究人员们认为，这一最新发现将有助于未来更好地预测“太空天气”。

精准预测犹如“大海捞针”

随着太阳热等离子体的搅动和旋转，它将我们恒星的磁场扭曲得越来越紧，就像一根打结的橡皮筋一样储存着能量。这些磁场的扭曲结以太阳黑子的形式留下了它们的印记——太阳表面卷曲的磁能抑制阳光照射的黑色、稍冷的斑点。

这些活动区域有时会产生耀斑，或能量和光的强烈爆发，这些耀斑会将带电粒子和辐射通过太阳的外层大气和太阳系汹涌而过。这样的日冕物质抛射(CMEs)会威胁到人类在地球上和周围建造的基础设施，比如电网和卫星。出于这个原因，全球许多气象和太空机构都会发布太阳耀斑的预报。

但预测太阳天气仍在进行中。去年的一项研究对比了世界各地十几家机构的预测结果，得出的结论是“其中一种操作方法特别好。”事实上，其中一些算法的表现却不如随机猜测的算法。

这些方法并不是通过物理模拟得出的，而是通过各种不同的方法来量化磁场区域在观察中出现的打结程度——这表明了燃烧燃料的能量被储存了多少。这有点像在一个炎热、闷热、阳光明媚的日子醒来，知道雷暴形成的条件已经成熟。

但是就像预测雷暴并不总是成功一样，预测太阳耀斑也不像看起来那么简单。这就好比你发现条件都对上了，但却不能预测它是否真的会引起耀斑爆发，以及会不会是一次大型的爆发。

寻找耀斑的“爆发种子”

为了应对预测太阳耀斑的挑战，日本研究小组的新技术通过寻找最有可能触发耀斑的条件来确定耀斑的“萌生”。研究人员们在最新的研究的实验中发现了一种方法，它涉及到所谓的量子-机械干涉。

他们的突破是通过一种离子(九倍的电离铁)，并预测和分析了其中的两个能量均等的电子“星座”之间互相干扰的罕见现象。在隆德大学的数学物理部的设备可以被认为是能够生产和捕获日冕的一小部分——它被称为“电子束离子阱”（the Electron Beam Ion Trap，EBIT）。通过这种设备，他们找到了一种测量太阳外层相对较弱磁场的方法。

在这项新的研究中，日本名古屋大学的物理学家Kanya Kusano和他的同事们提出，当两条弧状磁场线连接在一起，形成一个m形环，在靠近太阳表面形成一个较小的环时，就会产生最大的耀斑。这种“双弧不稳定性”导致了更多的“磁重连”（magnetic reconnection），而m形回路膨胀，释放能量。

具体来看，在静态条件下，这是一个稳定的配置。但如果它们受到干扰，两个弧的磁场线就会开始合并，触发了“磁重连”（magnetic reconnection）的失控过程，引导了太阳耀斑的能量爆发。在重新连接的过程中，变化的磁场会释放能量爆炸，就像打结的橡皮筋最终断裂一样。

这种情况是否会发生，部分取决于太阳外部大气(或日冕)的状况，后者位于重新连接地点上方。“上面的磁场起着双重作用，”来自名古屋大学的小组组长Kanya Kusano对天文学解释说。带有大量磁能的强磁场会抑制这种失控的重连事件的发生。但如果真的形成了，请注意——当耀斑向外闯入太阳系时，所有的能量都变成了燃料，就像从大气中汲取能量的雷暴。

为了确定重新连接似乎正在酝酿的地方，研究小组建立了一个太阳磁场在活跃的太阳黑子区域的三维计算机模型。该模型是基于卫星对地表磁场的观测，但通过模拟太阳日冕推断出来的。接下来，他们将磁场的扭曲程度与磁场的强度进行比较，以确定需要多大的推动才能触发跑道重连事件。Kusano将其比作分析一个被雪覆盖的山坡，找到需要最少干扰才能引发雪崩的点是背后关键。

该团队还能够在他们的模型中确定一个名为kappa的参数的临界阈值，该参数可以指示耀斑是否即将来临——同时还可以根据叠加的磁场强度粗略地预测最终耀斑的强度。

从2008年到2019年，该团队在大约200个大型太阳黑子群上测试了他们所谓的“卡帕计划”，其中7个产生了大型耀斑。该模型成功地预测了七次耀斑中的六次，实现了数小时至24小时不等的提前预警时间。

在每一种情况下，耀斑都发生在他们的模型预测的地点或附近。在198个没有产生耀斑的太阳黑子群中，该模型的预测只产生了3个误报。

要确切地知道这种方法在上线并实时运行时是否会比现有的方法更可靠还为时过早。不过研究负责人Kusano说，他的目标是在1-2年内将该模型纳入运营预测。然而，他说，主要的挑战是获得足够的计算能力，因为这些模型需要超级计算机来运行。

“装在磁性瓶里的电子”

在Kusano的团队提供了对太阳耀斑的初始触发的洞察之后，本周另一组科学家陈斌（Bin Chen）和他的同事还报告了对耀斑在整个日冕聚集和释放能量过程中所发生的最详细的观察。

Bin Chen是来自纽瓦克市新泽西理工学院的太阳物理学家，他的团队通过加利福尼亚大松附近的EOVSA电池组获得了这些测量结果，该电池组于2017年9月刚刚投入使用，当时发生了一次特别巨大的耀斑爆发(也包括在Kusano的研究中)。

这项工作发表在7月27日的《自然天文学》(Nature Astronomy)杂志上，是研究人员首次能够测量太阳耀斑“中心引擎”的磁场强度，也就是失控重连发生的区域。令人惊讶的是，Bin Chen表示，测量到的轮廓与几十年前提出的标准太阳耀斑模型“非常吻合”。

由于缺乏针对电流片附近磁场性质和高能粒子的观测，耀斑能量释放和粒子加速的位置及机制等关键问题长期得不到解决。但新发现提供了首次测量结果，可表征爆炸中心的磁场和粒子。结果表明，巨大的电流“薄片”穿过铁芯扩宽区域，延伸了40,000多公里，在该区域中，相反的磁场线彼此靠近，断开并重新连接，从而产生了为扩口提供动力的强大能量。

他们还发现，在这个区域的底部，磁场的形状像一个磁性瓶——一种自然地捕获和加速带电粒子的结构。这可能是导致耀斑中的电子加速到接近光速的原因。5分钟长的发射过程中，他们观察到火炬的相对论电子约有99%聚集在磁性瓶上。

Bin Chen和Kusano说，这两项研究大体上是一致的。Kusano认为，这种双弧结构是引发大多数大型耀斑的原因，当耀斑展开时，它可能会自然地形成瓶状。Bin Chen的这种首次对日冕磁场的直接观测，反过来可以改善Kusano用来推断日冕磁场的模拟。

“在喷发过程中，太阳磁场的力在加速等离子体中起着关键作用。我们的模型用于计算喷发过程中的磁力的物理性质，表现为磁场线的高度扭曲的'绳' ，”该研究的合著者Kathy Reeves解释说：“值得注意的是，这种复杂的过程可以通过简单的分析模型捕获，并且预测和测量的磁场如此匹配。”

该小组的测量和匹配的模拟结果表明，耀斑具有一个电场，该电场每米产生4,000伏的电压。这样的强电场存在于40,000公里的区域内，大于并排放置的三个地球的长度。分析还显示，大量的磁能以每秒10-1000亿亿焦耳(10 22 -10 23)焦耳的速度被抽入——耀斑“中心引擎”处理的能量在一秒之内，就等于同时爆炸约10万颗最强大的氢弹(50兆吨级)释放的总能量。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源：https://science.sciencemag.org/content/369/6503/587

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200729124404.htm

https://www.sciencenews.org/article/physics-solar-flares-scientists-predict-sun-outbursts

https://www.newscientist.com/article/2250369-we-can-now-predict-dangerous-solar-flares-a-day-before-they-happen/

https://www.nsf.gov/discoveries/disc_summ.jsp?cntn_id=300964

https://scitechdaily.com/take-an-unprecedented-look-into-central-engine-powering-a-massive-solar-flare/

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