太陽(yáng)表面的“石榴籽”：米粒組織

2020年1月29日，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation）的丹尼爾?井上望遠(yuǎn)鏡（DKIST，Daniel K. Inouye Solar Telescope）終于睜開(kāi)“巨眼”，觀測(cè)到了目前世界上最清晰的太陽(yáng)圖像。DKIST位于夏威夷毛伊島最高峰海勒卡拉山上，是現(xiàn)在世界上最大口徑的太陽(yáng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，它的主鏡直徑足足有4.24米。

丹尼爾?井上望遠(yuǎn)鏡和主鏡

| 圖源：www.nso.edu/telescopes/dki-solar-telescope/

最清晰的太陽(yáng)圖像是什么樣子呢？

DKIST拍攝的當(dāng)前世界上最高分辨率的太陽(yáng)光球圖像，左側(cè)金黃色圓盤(pán)是全日面太陽(yáng)色球圖像，中心白方框表示是DKIST的觀測(cè)視場(chǎng)。| 圖源：www.nso.edu/telescopes/dki-solar-telescope/

DKIST第一次睜眼，看的是太陽(yáng)光球?qū)?。圖像中包含許多類似石榴籽一樣的明亮不規(guī)則多邊形，這些“石榴籽”叫做米粒組織。但米粒組織并不像真正的石榴籽一樣緊挨在一起，有暗黑間隙把它們間隔開(kāi)。有些米粒暗隙中還會(huì)出現(xiàn)許多亮點(diǎn)或亮斑。最小的暗隙亮點(diǎn)，直徑大約為30千米，接近曼哈頓島的大小，快趕得上半個(gè)太湖。最小的暗隙亮點(diǎn)都這么大，而一個(gè)米粒組織的大小呢？圖上標(biāo)注顯示，一個(gè)小米粒的大小抵得上美國(guó)德克薩斯州（約70萬(wàn)平方千米），接近我國(guó)青海省的面積（約72萬(wàn)平方千米）。

也就是說(shuō)，DKIST能夠看清太陽(yáng)光球?qū)由?0千米尺度的細(xì)節(jié)特征！

六朝古都南京的著名旅游勝地紫金山，南北長(zhǎng)大約有6千米，也就是要5座紫金山的長(zhǎng)度才能達(dá)到30千米。對(duì)我們個(gè)人來(lái)說(shuō)，一座紫金山已經(jīng)很大了，5座紫金山更是不得了。——30千米有這么大，為什么天文學(xué)家會(huì)為能看清太陽(yáng)上30千米的東西而激動(dòng)？

生活常識(shí)告訴我們，物體離得越遠(yuǎn)，目視就越小。如果我們看1千米外一個(gè)2米高的人，那么這個(gè)人的目視大小相當(dāng)于看5米外的一個(gè)1厘米高的“人”。如果距離足夠遙遠(yuǎn)，哪怕是5座紫金山這么大的物體，我們目視也會(huì)看不清。

太陽(yáng)系天體大小對(duì)比（上）；“目視”太陽(yáng) 一指遮日（下）

| 圖源：網(wǎng)絡(luò)（上）、作者（下）

太陽(yáng)是太陽(yáng)系最大的天體，質(zhì)量是地球的33萬(wàn)倍，直徑約是地球的109倍。如此巨大的太陽(yáng)，目視大小是多少呢？如果你對(duì)著太陽(yáng)伸直胳膊，然后伸出一個(gè)手指，那么太陽(yáng)的目視尺寸只有半個(gè)指頭寬。這是因?yàn)樘?yáng)與地球之間平均距離足足有1億5千萬(wàn)千米！光速都要跑500多秒！直徑為140萬(wàn)千米的太陽(yáng)，看上去都只有半個(gè)手指頭寬。那太陽(yáng)上30千米大的東西，更是小得無(wú)法看清，只能利用米級(jí)地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡才能分辨出來(lái)。

現(xiàn)在理解天文學(xué)家們?yōu)槭裁磿?huì)因?yàn)槟芸辞逄?yáng)上30千米大小的特征而欣喜若狂了吧！

太陽(yáng)光球?qū)由系摹笆褡选笔鞘裁矗?/p>

太陽(yáng)是一個(gè)氣體大火球，質(zhì)量的71%是氫，27%是氦，其他元素占不到2%。太陽(yáng)核心的溫度高達(dá)1500萬(wàn)度，密度是我們地球上水密度的150倍。這種極端條件下，太陽(yáng)核心每時(shí)每刻都進(jìn)行著四個(gè)氫原子聚變成一個(gè)氦原子的熱核聚變反應(yīng)，每秒鐘大約有600億噸氫元素參與聚變反應(yīng)，約400萬(wàn)噸物質(zhì)轉(zhuǎn)變成能量。根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程，這些能量相當(dāng)于9000萬(wàn)億噸TNT炸藥同時(shí)爆炸。正是這些能量供應(yīng)著太陽(yáng)散發(fā)光和熱，照亮了整個(gè)太陽(yáng)系。從核心向外，太陽(yáng)的溫度逐漸降低，到光球?qū)訒r(shí)，溫度已經(jīng)降到6000度，而光球?qū)觾?nèi)的對(duì)流層溫度在幾十萬(wàn)度。如此強(qiáng)的溫度差，導(dǎo)致對(duì)流層上部和光球?qū)又g有非常劇烈的物質(zhì)對(duì)流運(yùn)動(dòng)，就產(chǎn)生了米粒組織。

太陽(yáng)內(nèi)部大氣結(jié)構(gòu) | 圖源：網(wǎng)絡(luò)

對(duì)流運(yùn)動(dòng)在日常生活中很常見(jiàn)。我們?cè)跓蛑笙★垥r(shí)，都是從底部開(kāi)始加熱。底下溫度高，上面溫度低，高溫物質(zhì)從下往上運(yùn)動(dòng)，在表層就會(huì)出現(xiàn)脹大并破裂的氣泡。這就是典型的對(duì)流運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。

天文學(xué)家們做的一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)顯示，在鍋內(nèi)倒入粘稠的液體，然后用電爐加熱，受熱的液體上下對(duì)流形成的氣泡形狀和變化與太陽(yáng)米粒組織非常接近。

油鍋模擬米粒組織 | 來(lái)源：NASA

明明像“石榴籽”，為啥叫米粒組織？

DKIST拍攝的米粒組織與石榴籽 | 圖源：www.nso.edu

這是因?yàn)樵谠缙谶M(jìn)行太陽(yáng)觀測(cè)時(shí)，望遠(yuǎn)鏡口徑小，分辨率不夠，只能看清太陽(yáng)光球?qū)由?000千米以上尺度的結(jié)構(gòu)，而一個(gè)米粒組織的直徑就在1000千米左右。用小口徑望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽(yáng)表面，只能看到一個(gè)個(gè)的明亮小顆粒，就像是布滿了大米一樣。根據(jù)天文學(xué)家估計(jì)，整個(gè)太陽(yáng)光球?qū)颖砻娲蠹s有400萬(wàn)個(gè)米粒組織。隨著分辨率從低到高變化時(shí)，太陽(yáng)光球?qū)拥摹懊琢！币沧兂闪恕笆褡选薄?/p>

除了DKIST，世界上還有其他的米級(jí)太陽(yáng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，比如美國(guó)大熊湖太陽(yáng)天文臺(tái)的古迪太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡（Goode solar telescope，GST），還有我國(guó)云南天文臺(tái)的新真空太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡（New Vacuum Solar Telescope，NVST）。GST主鏡口徑有1.6米，位于美國(guó)加利福尼亞州南部的大熊湖畔，此處海拔2000多米，干旱少雨，大氣視寧度好。從GST對(duì)米粒組織的連續(xù)觀測(cè)中，我們可以看到這些米粒組織一直變化著，永不停息，每個(gè)米粒都會(huì)經(jīng)歷出生，漲大，最后從中間出現(xiàn)一條暗隙，把成熟的米粒分裂成幾個(gè)小米粒的過(guò)程，平均壽命約為8分鐘。

一般認(rèn)為對(duì)流層的高溫物質(zhì)持續(xù)從米粒的中間浮現(xiàn)出來(lái)，然后往邊緣擴(kuò)散，冷卻后從米粒暗隙下沉。如果細(xì)心觀察還會(huì)發(fā)現(xiàn)，并不是所有的米粒暗隙都會(huì)出現(xiàn)亮點(diǎn)。由于米粒的運(yùn)動(dòng)變化，亮點(diǎn)被不斷擠壓，有的從一個(gè)大亮點(diǎn)分裂成多個(gè)小亮點(diǎn)，有的從幾個(gè)小亮點(diǎn)匯聚成一個(gè)大亮點(diǎn)或亮鏈。如果把米粒組織圖像與太陽(yáng)光球磁場(chǎng)圖像進(jìn)行對(duì)比，會(huì)發(fā)現(xiàn)有亮點(diǎn)的米粒暗隙，往往對(duì)應(yīng)著強(qiáng)磁場(chǎng)，而沒(méi)有亮點(diǎn)的米粒暗隙，則對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)很弱。

GST觀測(cè)的米粒組織演化 | 來(lái)源：GST

美國(guó)大熊湖太陽(yáng)天文臺(tái)的GST | 圖源：作者

我國(guó)的NVST，安放在中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)的撫仙湖太陽(yáng)觀測(cè)站，位于云南省昆明市澄江縣的撫仙湖畔。這里風(fēng)景優(yōu)美，湖水清澈，空氣潔凈，視寧度好。NVST的主鏡直徑有1米，分辨率僅次于GST，NVST從2010年開(kāi)光，觀測(cè)到大量的高分辨率太陽(yáng)數(shù)據(jù)，大大推動(dòng)了我國(guó)太陽(yáng)物理的發(fā)展和進(jìn)步。

云南天文臺(tái)撫仙湖太陽(yáng)觀測(cè)站和NVST | 圖源：作者

未來(lái)，還會(huì)看到更清晰的太陽(yáng)圖像

DKIST能看到最清晰的太陽(yáng)圖像，除了因?yàn)椤把劬Α贝?，還采用了一系列的先進(jìn)觀測(cè)支撐系統(tǒng)，比如現(xiàn)在世界上最復(fù)雜的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，長(zhǎng)達(dá)13千米長(zhǎng)的冷卻系統(tǒng)等。除了太陽(yáng)光球?qū)?，DKIST還會(huì)給我們帶來(lái)色球?qū)?、?nèi)日冕和太陽(yáng)磁場(chǎng)的高分辨率觀測(cè)數(shù)據(jù)，能夠揭示更多的太陽(yáng)奧秘，有待解決太陽(yáng)磁場(chǎng)的形成和演化，以及太陽(yáng)日冕高溫之謎，以及太陽(yáng)風(fēng)的加速等難題。

先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái) | 圖源：作者

以DKIST為首的大口徑望遠(yuǎn)鏡，以及2018年升空的帕克太陽(yáng)探測(cè)器衛(wèi)星（Parker Solar Probe），剛剛發(fā)射的太陽(yáng)軌道探測(cè)器衛(wèi)星（Solar Orbiter），和我國(guó)計(jì)劃在2021年發(fā)射的先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)（Advanced Space-based Solar Observatory，ASO-S），這些地面和空間望遠(yuǎn)鏡將開(kāi)啟一個(gè)新的太陽(yáng)時(shí)代，為我們理解太陽(yáng)演化及其對(duì)地球空間環(huán)境的影響等方面實(shí)現(xiàn)飛越！

作者簡(jiǎn)介

周團(tuán)輝：中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)，太陽(yáng)多波段觀測(cè)與研究團(tuán)組助理研究員，研究領(lǐng)域:太陽(yáng)小尺度爆發(fā)活動(dòng)。熱愛(ài)天文科普。

撰文：周團(tuán)輝

輪值主編：季江徽

編輯：王科超、高娜