科学家首次直接观测到太阳日冕中的小尺度扭转阿尔文波

这类波动最早由瑞典物理学家汉内斯·阿尔文于1942年提出，最新成果借助目前世界上性能最强的太阳望远镜——位于夏威夷的丹尼尔·K·井上太阳望远镜——得到证实，并发表在《自然·天文学》上，有望为解开日冕为何远比太阳表面炽热这一长期难题提供关键线索。

太阳日冕是太阳最外层大气，可向外延伸数百万公里，由极其炽热的电离等离子体构成。等离子体被称为物质的“第四态”，在这一状态下，原子获取巨量能量后，电子从原子核周围剥离，形成高度受磁场支配的带电粒子。相较之下，太阳可见光表面温度约为5500摄氏度，而日冕温度却惊人地超过一百万摄氏度，这一巨大反差催生了著名的“日冕加热问题”。日冕中的等离子体不断向外流动，形成超音速的带电粒子流——太阳风，充满整个太阳系并塑造日球层，同时可能扰动人造卫星、导航系统和地面电网。日冕如何持续获得足够能量维持如此高温，数十年来一直存在激烈争论。

在众多理论中，阿尔文波被视为最重要的候选机制之一。在由大量“磁通管”（窄束磁结构，用于输运等离子体和能量）构成的等离子体环境中，唯一“纯粹”的阿尔文模态就是扭转模式，即围绕磁力线轴心的扭动，而非简单左右摆动。这些磁结构像“导轨”一样约束带电粒子的运动，因为等离子体天然沿磁力线流动。本次研究负责人、英国诺森比亚大学教授理查德·莫顿表示：“这一发现终结了自20世纪40年代延续至今的长期搜寻，我们终于可以直接看到日冕中磁力线被来回扭转的扭转运动。”

突破性进展得益于井上望远镜配备的低温近红外光谱偏振仪（Cryo-NIRSP）。该仪器专门用于对日冕中极其精细的磁结构和等离子体结构进行观测，本次研究中，团队追踪了被加热至约160万摄氏度的铁元素发射信号，并开发出新的分析方法，将扭转运动与更常见的摇摆运动区分开来。莫顿解释说：“日冕中等离子体的运动以摇摆为主，这会掩盖扭转运动，因此我必须开发一种方法，先把摇摆成分‘剥离’掉，才能识别出真正的扭转。”

不同于让整个磁结构整体左右摆动的“扭曲波”（kink wave），扭转阿尔文波主要产生绕轴扭转的运动，只能通过光谱学手段加以识别。光谱学研究的是物质与光的相互作用，在太阳物理中，科学家利用多普勒效应精确测量等离子体运动引起的光谱波长微小偏移。向地球方向运动的等离子体会导致谱线略微“蓝移”，远离地球则会产生“红移”。通过分析磁结构两侧相反方向的红移与蓝移信号，研究人员得以识别出隐藏在日冕中的扭转运动。数据表明，即便在相对“安静”的日冕区域，这类扭转阿尔文波也在持续存在。

目前测得的波幅比较小，但科学家认为这在一定程度上被观测方式低估了实际值。即便按保守估算，这些扭转阿尔文波很可能携带了日冕维持高温以及驱动太阳风所需能量的相当大一部分。莫顿指出：“这项研究为一系列关于阿尔文波湍流如何为太阳大气供能的理论模型提供了关键验证，有了直接观测数据，我们终于可以把这些模型与真实情况相对照。”

这一发现不仅关乎我们如何理解太阳本身，也与空间天气预报紧密相关。太阳风会携带磁扰动，进而影响卫星运行、全球导航系统、无线电通信以及电力输配网络。研究人员指出，阿尔文波还可能解释美国宇航局帕克太阳探测器观测到的“磁回折”（magnetic switchbacks）现象——这些被认为是在太阳风中输运大量能量的突然磁场折返结构。随着井上太阳望远镜不断提供超高分辨率的日冕观测图像，科学界预计将在未来几年进一步揭示这些磁波如何在太阳大气中传播、相互作用并释放能量，从而加深我们对太阳乃至整个空间环境的理解。