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NASA超算破解400年前困擾伽利略的太陽磁場之謎

一項新的研究揭示了太陽的磁場起源於更接近地表的地方,從而解開了伽利略首次探究的一個有着400年歷史的謎團,並加強了太陽風暴的預報。包括美國西北大學工程師在內的一個國際研究小組,越來越接近於解開一個有400年歷史的太陽之謎,這個謎連著名天文學家伽利略-伽利萊(Galileo Galilei)也曾為之困惑。自從首次觀測到太陽的磁場活動以來,天文學家一直在努力確定這一過程的起源。現在,在美國國家航空航天局的超級計算機上進行了一系列複雜的計算後,研究人員發現磁場產生於太陽表面以下約2萬英里處。這一發現與之前的理論相矛盾,之前的理論認為這一現象起源很深--從太陽表面下13萬英里處開始。

這項研究成果於5月22日發表在《自然》雜誌上。

這項新發現不僅有助於我們更好地了解太陽的動態過程,還能幫助科學家更準確地預報強大的太陽風暴。雖然本月的強太陽風暴釋放出了美麗、綿延的北極光,但類似的風暴也會造成嚴重破壞--損壞地球軌道衛星、電網和無線電通信。

這幅插圖在美國宇航局太陽動力學天文台拍攝的圖像上描繪了太陽的磁場。複雜的線條疊加可以讓科學家們了解太陽磁性隨着太陽內部和外部的不斷運動而變化的方式。圖片來源:NASA/SDO/AIA/LMSAL

"自伽利略以來,了解太陽磁場的起源一直是一個懸而未決的問題,這對於預測未來的太陽活動(比如可能撞擊地球的耀斑)非常重要,"該研究的合著者丹尼爾-勒科阿內說。"這項工作為太陽磁場的產生提出了一個新的假設,它能更好地匹配太陽觀測數據,我們希望它能用於更好地預測太陽活動。"

萊科阿內是天體流體力學專家,現任西北大學麥考密克工程學院工程科學與應用數學助理教授,同時也是天體物理學跨學科探索與研究中心的成員。蘇格蘭愛丁堡大學數學教授 Geoffrey Vasil領導了這項研究。

令人費解的歷史

幾個世紀以來,天文學家一直在研究太陽磁場活動的蛛絲馬跡。其中包括伽利略,他在1612年首次對太陽黑子進行了詳細觀測。伽利略利用早期的望遠鏡甚至肉眼,記錄下了太陽磁場不斷變化所產生的黑斑。

多年來,天文學家在了解太陽產生磁場的物理過程的起源方面取得了重大進展,但局限性依然存在。例如,一些理論認為太陽動力起源於深海,並預言了天文學家從未觀測到的太陽特徵,如高緯度地區的強磁場。

這張照片拍攝於美國東部時間2013年6月20日晚上11:15,顯示了太陽左側太陽耀斑的亮光,以及太陽物質噴發穿過太陽大氣層的現象,稱為突出噴發。圖片來源:NASA/Goddard/SDO

缺失的碎片

為了解決這個難題,研究小組開發了新的、最先進的數值模擬來模擬太陽磁場。與以前的模型不同,新模型考慮了扭轉振盪,這是氣體和等離子體在太陽內部和周圍流動的一種周期性模式。由於太陽不像地球和月球那樣是固態的,因此它並不像一個物體那樣自轉。相反,它的自轉隨緯度而變化。與11年的太陽磁周期一樣,扭轉振盪也經歷了11年的周期。

萊科阿內說:"由於波的周期與磁周期相同,人們一直認為這些現象是有聯繫的。然而,太陽磁場的傳統'深層理論'並不能解釋這些扭轉振盪的來源。一個耐人尋味的線索是,扭轉振盪只出現在太陽表面附近。我們的假設是,磁循環和扭轉振盪是同一物理過程的不同表現形式。"

當西北大學萊科阿內實驗室的博士後研究員凱爾-奧古斯丁森(Kyle Augustson)進行數值模擬時,研究人員發現他們的新模型為扭轉振盪中觀察到的特性提供了定量解釋。該模型還解釋了太陽黑子是如何遵循太陽磁場活動模式的--這也是深起源理論所缺失的另一個細節。

改進預測

研究人員希望通過更好地了解太陽的發電機,改進對太陽風暴的預測。當太陽耀斑和日冕物質拋射向地球發射時,它們會嚴重破壞電力和電信基礎設施,包括GPS導航工具。例如,本月最近發生的太陽風暴就在播種旺季破壞了農用設備的導航系統。

但研究人員認為,1859年9月襲擊加拿大的一場更為強烈的太陽風暴值得警惕。這場被稱為卡靈頓事件的強烈風暴破壞了加拿大剛剛起步的電報系統。如果有足夠的預警,工程師們就可以採取措施防止未來發生災難性的破壞。

萊科阿內說:"雖然最近的太陽風暴威力巨大,但我們擔心的是像卡林頓事件那樣威力更大的風暴。如果今天類似強度的風暴襲擊美國,估計將造成1萬億到2萬億美元的損失。雖然太陽動力學的許多方面仍然籠罩在神秘之中,但我們的工作在破解理論物理學中最古老的未解難題之一方面取得了巨大進步,並為更好地預測危險的太陽活動開闢了道路。"

編譯來源:ScitechDaily

責任編輯: 李華  來源:cnBeta 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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