太陽磁場有「雙重人格」?

作者 | 發布日期 2019 年 06 月 22 日 0:00 | 分類 天文 , 自然科學 follow us in feedly


美國科羅拉多大學波德分校(University of Colorado Boulder)Loren Matilsky 和 Juri Toomre 發展出一套太陽內部結構電腦模擬程式,期望能藉此了解恆星內部的騷亂狀態,結果意外發現太陽磁場很可能具有兩種性質,如同人類的雙重人格:極少數情況下,太陽內部磁場可能會脫離常態轉變成另一種罕見狀態。這些狀態的轉變,或許可提供太陽內部磁場「生理鐘」(internal clock)的線索,了解平均約 11 年的太陽活動週期的轉變過程。不過這項發現僅初具模型,還需要利用 19 世紀迄今的觀測資料來分析佐證。

科學家迄今仍不清楚太陽活動週期為何發生,為什麼有些週期的活動程度比其他週期還劇烈?如果能經由太陽表面的觀測結果,配合理論模型,那說不定以後就可以預測太陽活動週期狀態。

Matilsky 等人深入了解「太陽發電機」(solar dynamo)現象,也就是太陽磁能集中程度。之所以有太陽發電機現象,是太陽內部熾熱電漿因太陽自轉等運動而造成的,太陽黑子、閃焰或從太陽表面向外噴發的日冕物質拋射(CME)等現象皆與此有關。但發電機現象並不容易進行研究,因為主要形成和演變的地方都在不可見的太陽內部,尚無儀器可直接探測到,只能透過超級電腦來模擬太陽內部發生了什麼事。

▲ 數百年內的太陽發電機電腦模擬圖。上為「正常」太陽週期內,太陽發電機大致呈現南北半球對稱狀態,並逐漸由高緯度向赤道移動。下為在「異常」太陽週期內,太陽發電機幾乎集中在某個半球,然後持續數年都呈現這樣的「偏心」狀態。(Source: Loren Matilsky / Juri Toomre)

Matilsky 等人主要模擬的是太陽的對流層,這層物質是以對流方式從內向外傳地能量,如同一鍋沸騰的水。模擬結果發現太陽發電機會在太陽赤道儀以北和以南之處形成。在一個正常的太陽活動週期,發電機形成後會朝逐漸赤道移動,止於此處,然後又重頭來過,如同真正觀測到的太陽活動週期狀態,稱之為磁場蝴蝶圖。但這並不是全部結論:他們發現太陽發電機約每 100 年中會有 2 次異於正常週期的南北對稱狀態,此時發電機幾乎只集中在其中一個半球,而且會集中在其中一個半球數個週期之後,換成集中到另一個半球,最後才回歸原始狀態。

天文學家以前就曾偶然看過太陽黑子在其中一個半球的數量比另一半球多的現象,如同 Matilsky 等人的模擬結果。所以這「隱藏性格」模式或許是模擬過程出現的偶然或意外,但也很可能真的呈現出以前不曾知曉的太陽發電機狀況。Matilsky 等人計劃進一步改善並發展這個理論模型,看看太陽發電機是否真的有兩種模式,更期待透過模擬解決太陽活動高低起伏的成因,並能提出若地球受到太陽活動週期變動影響時的應對辦法。

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖來源:Flickr/vishwanath Hawargi CC BY 2.0)