《三體》“人造太陽”有望實(shí)現(xiàn)？深圳青年科學(xué)家袁丁團(tuán)隊(duì)研究成果登上《自然?天文學(xué)》雜志

五千年華夏文明一直對(duì)天文科學(xué)進(jìn)行著不懈探索，《易經(jīng)》《漢書》等中國古籍保存著關(guān)于太陽中存在的黑子世界最早、最系統(tǒng)的記載。如今，隨著哈工大(深圳)空間科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)研究院教授馮學(xué)尚與副教授袁丁面向“太陽日冕加熱問題”，利用全球最大口徑的太陽望遠(yuǎn)鏡和高性能計(jì)算機(jī)模擬手段,提出了太陽等離子體加熱的革新性物理機(jī)制，中國人對(duì)太陽的研究又更進(jìn)一步。

發(fā)表雜志《自然·天文學(xué)》(Nature Astronomy)內(nèi)頁截圖

5月25日，該成果以“Transverse Oscillations and Energy Source in a Strongly Magnetized Sunspot”《強(qiáng)磁化太陽黑子中的橫模振蕩與能量源》為題發(fā)表在《自然·天文學(xué)》上，哈工大(深圳)副教授袁丁為第一兼通訊作者，碩士研究生付立博為第二作者，教授馮學(xué)尚和博士后Blazej Kuzma為合作作者。記者了解到，這項(xiàng)研究集合了歐洲、美國等多國科學(xué)家、科研機(jī)構(gòu)的共同努力。哈工大(深圳)空間科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)研究院馮學(xué)尚教授與袁丁副教授作為課題發(fā)起者，承擔(dān)了“總設(shè)計(jì)師”的工作，助人類理解太陽再上臺(tái)階。

“日冕加熱問題”意義重大

“中國探月工程”已成功從月球帶回了月壤。月亮越來越“近”，那么太陽呢？哈工大(深圳)空間科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)研究院副教授袁丁告訴記者，目前人類對(duì)太陽的研究仍停留在“初級(jí)階段”?！艾F(xiàn)階段，我們研究太陽主要服務(wù)航空宇航、通訊導(dǎo)航等領(lǐng)域。隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類在太空中的資產(chǎn)越來越多，如空間衛(wèi)星、空間站、月球(火星)基地，與之相隨的是龐大的數(shù)字經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈。而太陽的活動(dòng)直接威脅著人類的太空資產(chǎn)。太陽風(fēng)暴來襲，電力網(wǎng)絡(luò)或通訊系統(tǒng)受損，我們將面臨沒有電力、通信、互聯(lián)網(wǎng)和社交媒體的生活?！?/p>

太陽黑子中本影纖維在強(qiáng)磁區(qū)域橫向震蕩，攜帶巨大的能量

太陽是一個(gè)由氫組成的氣體球，其能量均來自于太陽內(nèi)部的核聚變反應(yīng)——能量由內(nèi)向外傳輸，從太陽內(nèi)核到太陽表面(光球?qū)?，溫度從1600多萬攝氏度降低到5000多攝氏度。日冕處于光球?qū)又?，距離內(nèi)核的熱源更遠(yuǎn),其溫度應(yīng)該更低。但日冕的實(shí)際溫度卻高達(dá)數(shù)百萬攝氏度，比光球?qū)痈叱?000-10000倍，這就是困擾物理學(xué)界百年的難題——太陽日冕加熱問題。太陽日冕加熱問題是太陽研究領(lǐng)域的“顯學(xué)”，在2012年被SCIENCE《科學(xué)》雜志選為當(dāng)代天文學(xué)的八大未解之謎之一。

哈工大(深圳)空間科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)研究院副教授袁丁

袁丁本科在哈工大學(xué)習(xí)光信息科學(xué)與技術(shù)，在瑞典皇家理工大學(xué)取得核能工程碩士，此后又在英國華威大學(xué)獲得物理學(xué)哲學(xué)博士。復(fù)合、跨學(xué)科的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，為他后來研究太陽物理打下了扎實(shí)基礎(chǔ)。2017年，完成學(xué)業(yè)后，袁丁來到哈工大(深圳)空間科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)研究工作?！斑@是一個(gè)諾獎(jiǎng)級(jí)別的科研主題?！?袁丁說，他長期關(guān)注日冕加熱問題：日冕為什么那么熱？弄清日冕加熱的原理，將推進(jìn)“人造太陽”相關(guān)科研，人類用上安全、清潔、高效、可持續(xù)的“人造太陽”能源或?qū)⒉辉偈菈粝??？苹眯≌f《三體》描述的未來世界里，人類造出了可控核聚變裝置——反應(yīng)爐中燃起的“微型太陽”，消耗少量的燃料就能釋放出巨大的熱量用于發(fā)電，這種裝置被稱為“人造太陽”。

古德太陽望遠(yuǎn)鏡成“神助攻”

關(guān)于日冕加熱問題，科學(xué)界有過眾多假設(shè)、推想以及研究。馮學(xué)尚與袁丁在前人的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步。2018年，袁丁赴美國加州大熊湖天文臺(tái)開展天文觀測，在那里找到了破解謎題的“神助攻”——古德太陽望遠(yuǎn)鏡。古德太陽望遠(yuǎn)鏡口徑為1.6米，是目前世界上正在運(yùn)營的最大口徑的太陽望遠(yuǎn)鏡，其得天獨(dú)厚的觀測臺(tái)址和強(qiáng)大的觀測儀器設(shè)備，為攻克該項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的研究課題提供了可能。袁丁利用古德太陽望遠(yuǎn)鏡的高時(shí)空分辨率觀測資料，發(fā)現(xiàn)太陽黑子的強(qiáng)磁場中存在周期性橫向運(yùn)動(dòng)，即橫模磁流體波。

美國大熊湖天文臺(tái)口徑1.6米古德太陽望遠(yuǎn)鏡是世界上口徑最大的現(xiàn)役太陽望遠(yuǎn)鏡

袁丁解釋說，太陽黑子是太陽表面溫度最低的結(jié)構(gòu)，溫度約為4000攝氏度，其上方對(duì)應(yīng)的太陽活動(dòng)區(qū)卻是太陽日冕溫度最高的區(qū)域，約為200萬至2000萬攝氏度，這樣由太陽黑子和活動(dòng)區(qū)組成的磁場和高溫等離子體耦合結(jié)構(gòu)對(duì)太陽等離子體加熱的條件更加苛刻，這些特征引起了研究團(tuán)隊(duì)的注意。2018年袁丁在美國加州大熊湖天文臺(tái)進(jìn)行天文觀測時(shí)，恰逢太陽黑子活躍周期，他發(fā)現(xiàn)太陽黑子里的本影纖維橫向擺動(dòng)，由此產(chǎn)生出巨大能量?！坝^測時(shí)機(jī)很重要。”袁丁說。機(jī)會(huì)總是偏愛有準(zhǔn)備的頭腦。觀測、查閱數(shù)據(jù)、提出假想并聯(lián)合國際團(tuán)隊(duì)共同研究，最終根據(jù)數(shù)學(xué)建模，計(jì)算出太陽黑子的強(qiáng)磁區(qū)域(約4000高斯)所需驅(qū)動(dòng)力高出太陽其它區(qū)域的100至1000倍，此類運(yùn)動(dòng)所攜帶的能量流約為7500000瓦每平方米，只要千分之一或者萬分之一的能量即可足太陽日冕加熱所需能量流，符合太陽等離子體加熱的要求。

“太陽黑子強(qiáng)磁區(qū)域的橫向運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于城市中高樓大廈都在橫向擺動(dòng)，此類運(yùn)動(dòng)攜帶了巨大的能量流，只有強(qiáng)烈的地震可以驅(qū)動(dòng)此類運(yùn)動(dòng)。據(jù)此可以想象，太陽黑子強(qiáng)磁場的橫向運(yùn)動(dòng)攜帶著很高的能量。據(jù)團(tuán)隊(duì)估算，該能量流相當(dāng)于7500部空調(diào)全功率炙烤1平方米的面積?！痹≌f。

研究成果引發(fā)熱議

談及研究的意義，袁丁稱該研究最大的突破是首次探測到比日冕加熱所需能量流強(qiáng)上萬倍的全新能量源，并利用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬重現(xiàn)了該能量源的等離子體加熱效應(yīng)，開創(chuàng)了日冕加熱的革新性領(lǐng)域。該研究具備解決日冕加熱問題這一百年物理學(xué)難題的潛力，有望成為下一代4-8米口徑太陽望遠(yuǎn)鏡等大型國際科研設(shè)備的重點(diǎn)科學(xué)目標(biāo)。

據(jù)了解，論文發(fā)表之后，引起了科學(xué)界和公眾密切關(guān)注。Nature雜志社邀請意大利宇航局著名科學(xué)家Marco Stangalini針對(duì)此研究撰寫評(píng)述，評(píng)價(jià)此研究對(duì)于日冕加熱理論的突破性貢獻(xiàn)和對(duì)于大型地面太陽望遠(yuǎn)鏡建設(shè)的指導(dǎo)意義?！秶业乩怼返仁畮准覈H著名媒體和科學(xué)雜志報(bào)道了此項(xiàng)研究。

電視劇《三體》劇照

該研究探測到比日冕加熱所需能量流還強(qiáng)的全新能量源，這不禁誘發(fā)聯(lián)想——《三體》中的“人造太陽”會(huì)否因此更加接近現(xiàn)實(shí)？袁丁表示，該成果的確有助于推動(dòng)“人造太陽”的等離子體加熱技術(shù)研發(fā)。等離子體加熱是解釋太陽風(fēng)來源的重要步驟,而太陽風(fēng)為星際旅行提供了重要的燃料?！爱?dāng)然,無論是‘人造太陽’還是‘星際旅行’，都不太可能在短期內(nèi)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，但該項(xiàng)研究成果為后續(xù)的研究奠定了非常重要的基礎(chǔ)?！痹”硎荆摮晒麑⑾嚓P(guān)科研的“進(jìn)度條”往前推動(dòng)了一步。袁丁同時(shí)透露，該團(tuán)隊(duì)將會(huì)繼續(xù)聚焦日冕加熱領(lǐng)域的科研?！跋乱徊剑瑘F(tuán)隊(duì)研究的焦點(diǎn)是太陽黑子的全新能量源是否普遍存在。再往前的目標(biāo)則是將該理論應(yīng)用到恒星黑子，利用先進(jìn)的數(shù)學(xué)建模和天文設(shè)備探索恒星黑子的等離子體加熱機(jī)制。”

該項(xiàng)目由馮學(xué)尚與袁丁領(lǐng)銜的國際團(tuán)隊(duì)共同完成，研究得到了全球?qū)＜覍W(xué)者的支持：碩士研究生付立博和Blazej Kuzma博士后分別參與了天文數(shù)據(jù)分析和雙流體磁流體數(shù)值模擬工作；哈工大(深圳)空間科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)研究院負(fù)責(zé)天文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和天文數(shù)據(jù)分析工作；新澤西理工大學(xué)(大熊湖天文臺(tái))承擔(dān)古德太陽望遠(yuǎn)鏡的天文觀測和數(shù)據(jù)校準(zhǔn)工作；西班牙加納利天文物理研究所承擔(dān)斯托克斯光學(xué)反演和建模工作；波蘭居里夫人大學(xué)物理學(xué)院負(fù)責(zé)雙流體磁流體數(shù)值模擬工作；比利時(shí)魯汶大學(xué)數(shù)學(xué)系負(fù)責(zé)數(shù)學(xué)建模工作；印度理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)參與了天文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和論文寫作相關(guān)工作；昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院、深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院、國家天文臺(tái)參與了天文數(shù)據(jù)分析等相關(guān)工作。

【哈工大(深圳)空間科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)研究院】