【为什么太阳会出现奇怪的伽马射线模式】－如是說999

2018-04-01

太阳喷出强烈的太阳耀斑和日冕物质抛射（ CME ），由 NASA 的太阳动力学观测站于 2017 年 9 月 6 日拍摄的这张图片。对 NASA 费米太空望远镜的数据进行的新分析显示，太阳的伽马射线发射——宇宙中最高能电磁辐射——可能与 CMEs 和其他爆发有关，后者的活动周期约为 11 年。信用： NASA ，我们最近的恒星仍然是一个谜。每隔 11 年左右，它的活动就会逐渐增强，产生耀斑和日冕物质抛射——这些等离子喷涌的喷发会让地球充满带电粒子和美丽的极光。但随后它渐弱。所谓的太阳最大值逐渐向太阳极小值褪色，太阳表面变得异常宁静。

科学家已经研究了这种涨落，但直到 20 世纪中叶太空时代的黎明，才开始了解它对地球的影响。现在很明显，在太阳活动最大点附近，太阳更有可能用带电粒子轰击地球，破坏卫星和电网。太阳活动周期在气候中也起着很小的作用，因为辐照度的变化会引起平均海平面温度和降水模式的轻微变化。因此，更好地了解周期的物理驱动因素对地球上的可持续生活很重要。

然而，科学家们仍然缺乏一个能够完美预测周期的关键细节的模型，例如每个阶段的确切持续时间和强度。 " 我认为太阳周期是如此稳定和清晰，以至于我们缺少了一些基本的东西， " 马萨诸塞州洛威尔大学的太阳物理学家 Ofer Cohen 说。他说，解决这个问题的一个障碍是，周期背后的明显机制的关键细节——比如太阳的磁场——在我们的视野中基本上都被掩盖了。但这种情况可能即将改变。

亥俄州立大学的天文学家 Tim Linden 和他的同事最近绘制了太阳的高能辉光是如何随着时间的推移在脸上跳动的。他们发现了这些高能辐射、太阳波动的磁场和太阳活动周期之间的潜在联系。许多专家认为，这可能会打开一扇新的窗口，进入我们最近、最熟悉的恒星的内部运行。

在他们即将进行的研究中，到目前为止发表在预印本服务器 arxiv 上并提交给《物理评论快报》，林登和他的同事们研究了美国宇航局费米伽马射线太空望远镜 10 年来的数据，以便更好地分析太阳发射的伽马射线——宇宙中能量最大的电磁辐射形式。令他们惊讶的是，研究人员发现最强烈的伽马射线与太阳活动周期中最安静的部分奇怪地同步。在 2008 年至 2009 年的最后一次太阳活动极小期，费米探测到了八条由太阳发射的高能伽马射线（每一条射线的能量都超过 100 千兆电子伏（ GeV ））。但是在接下来的八年里，当太阳活动达到顶峰，然后又回归平静时，太阳根本没有发出高能伽马射线。林登说，这种情况随机发生的可能性极低。伽马射线很可能是由太阳活动周期的某些方面触发的，但具体细节仍不清楚。

该研究小组推测，这些伽马射线很可能是在强烈的天体物理事件（如超新星和中子星）撞击到太阳表面时发出的，而这些强烈的宇宙射线在整个宇宙中产生。如果一条宇宙射线与太阳大气中的一个粒子相撞，就会产生二次粒子和辐射的簇射，包括伽马射线。不过，这样的阵雨通常会被太阳完全吸收。但是，根据 1990 年代的一个假设，其中的一些次级阵雨可以通过磁场的剧烈波动而反弹出去，远离我们的恒星。如果这种情况发生，费米已经探测到的伽马射线可能是那些高能逃逸者中的一些。

没有参与这项研究的亚利桑那大学的退休天文学家兰迪·乔基皮伊说，如果这种解释是正确的，这也就不足为奇了高能伽马射线更有可能在太阳活动最小期发射。他说，当太阳周期处于低潮时，它向外传播的带电粒子的 " 风 " 就会减少，而这些粒子充当了阻挡宇宙射线的屏障。这种减少允许更多的宇宙射线进入我们的太阳系和我们的恒星本身。因此，宇宙射线的上升应该会导致伽马射线的上升。

但林登和他的同事们还发现了另一种完全不受早期想法影响的好奇心：在太阳活动最小期， 50GeV 以上的伽马射线大多在太阳赤道附近发射，但在整个周期的其余部分，它们往往来自极地地区。这意味着太阳的总伽马射线辐射在太阳极小值时在它的赤道附近是最强烈的，而在它的极点上是最大的。要想象一下这一点，想象一下，在一个磨砂的玻璃瓶里，看着一大群萤火虫。如果最亮的萤火虫聚集在容器的中心附近，它的发光将是最生动的，即使有更多的暗光萤火虫出现在容器的周围。这种情况与太阳极小期的伽马射线辐射有些类似。但是，如果最亮的萤火虫聚集在罐子的底部和顶部，它的光芒会在那些点上达到顶峰。这将类似于太阳最大值。

伽马射线发射极 / 赤道移动的原因还不清楚。 " 我试图找到一种解释，我一生中有几次完全没有任何解释。 " Jokipii 说。但是，科恩，谁也没有参与这项研究，指出这一转变并不符合观测到的运动太阳黑子。这些在太阳表面的黑色斑点标志着强烈的内部磁场活动，很像新观测到的伽马射线辐射，随着太阳向太阳的最大值前进，它们从赤道向两极移动。科恩指出，这些趋势可能匹配，但他说，他目前无法解释为什么。斯坦福大学的天文学家 Igor Moskalenko 没有参与这项研究，他也认为没有明显的解释。

一个线索可能来自于一个奇怪的相关性：尽管在仅仅一年多的时间里观测到了 8 条大于 100GeV 的高能伽马射线，但其中两条仅仅在几个小时内被探测到。同时还有日冕物质抛射 - " 惊人的巧合， " 林登说。当他意识到这一点时，他决定优先考虑最近几个月的费米数据。却发现又一个高能伽马射线在另一次日冕物质抛射的同时发出。即使它不能证明这两种现象是相关的。另外六种高能伽马射线与喷射不一致，喷射主要发生在太阳最大位置。因此，他们可能只会在太阳活动极小期释放出高能伽马射线，这将是一个相当大的谜团。

尽管如此，林登还是很激动地看到自 2013 年和 2014 年最近一次太阳活动高峰期以来首次发射高能伽马射线。他指出， " 这可能表明，未来几年这种科学将非常令人兴奋。 " 他计划每天搜索费米数据，寻找更多的突发事件，并与合作者合作，从位于墨西哥的 HAWC 天文台和 NASA 即将推出的帕克太阳能探测器（该探测器将比以往任何时候都更接近太阳）获取新数据。 " 我们获得更多的数据并在这里看到新的物理学，这真的是很大的希望， " 他说。

因此，当太阳向太阳极小值方向蜿蜒时，天文学家们正在准备研究它的伽马射线，希望它们能揭示它神秘的内部结构。虽然 Linden 和他的同事还不能解释伽马射线的发射是如何与太阳磁场同步转移的，但越来越清楚的是，这两者是有某种联系的。 Moskalenko 认为伽马射线的辐射可以用来追踪太阳的深层磁场，并且有可能最终解开太阳周期的谜团。