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為什麼太陽的大氣層會比它的表面還要熱?

2014/08/09 | | 標籤:
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NASA的太陽動態觀測台在2013年4月23日pm 1:30(EDT)、EUNIS探空火箭升空時所拍攝的太陽圖像。EUNIS探空火箭主要偵測目標為太陽的活躍區域,如圖中右上的光環部分。 Credit: NASA/SDO

通常離熱源愈遠,溫度會愈低。太陽的可見表面稱為光球(photosphere),溫度約為絕對溫度6000K,但光球以上的太陽大氣層溫度卻達數萬度以上,甚至是最外層的太陽大氣—日冕(corona)的溫度是其表面的300倍以上。這樣反常的現象,是太陽物理迄今未解的謎題之一。

美國華盛頓天主教大學(Catholic University)暨哥達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)科學家Jeff Brosius等人近期提出報告指出:常態性發生的極微閃焰(nanoflare)是讓太陽大氣加熱到如此高溫狀態的主因;但由於極微閃焰規模甚小,因此迄今仍無法偵測到個別極微閃焰的活動。

更讓這些科學家驚訝的是:這個證據來自美國航太總署(NASA)最便宜的任務類型—探空火箭(sounding rocket)短短6分鐘的偵測結果。這個稱為「EUNIS」的探空火箭任務,是極紫外正入射光柵攝譜儀(Extreme Ultraviolet Normal Incidence Spectrograph)的縮寫,發射於2013年4月23日,以每1.3秒的速率蒐集溫度與性質差異均頗大的日冕物質資料。

科學家曾提出多種理論試圖解釋日冕溫度反常高溫的現象,多半涉及的是日冕中磁能轉換成熱能而使日冕溫度上升的過程。不同的理論對可觀測到哪種會影響溫度的物質有的預測也不同,但鮮少有大範圍面積的觀測解析度高到足以分辨哪種預測正確的狀況。

EUNIS探空火箭上裝載有靈敏度非常高的攝譜儀,從譜線狀態,可估算特定溫度下有多少物質出現的訊息。而又因地球大氣會吸收來自太陽的極紫外光,所以這種觀測必須在大氣以外的太空中進行。EUNIS探空火箭飛行至離地表約322公里的高空中,飛行時間僅有15分鐘左右,其中約僅6分鐘在大氣以上的時間能蒐集可用資料。

在飛行期間,EUNIS按預定計畫掃瞄太陽大氣中一個磁場結構複雜的活躍區( active region);這類活躍區常是大型閃焰(flare)或日冕物質拋射(coronal mass ejection,CME)等爆發活動的發生之地。進入攝譜儀的光,會按照不同波長分開,且因溫度頗高,日冕中不同元素會在光譜中形成特定波長的發射譜線(emission line),攝譜儀拍攝的就是這些光譜影像。每條發射譜線都可顯示在獨特溫度下的太陽物質,進一步分析還可獲知這種物質的密度和運動。

EUNIS主要觀測溫度約1000萬K的物質所發出的極紫外光。科學家提出假設認為日冕中有大量極微閃焰活動,可將物質加熱到1000萬K的程度。但這些物質冷卻得非常快,所以普遍觀測到的日冕物質溫度約在100萬~300萬K左右;然而,以EUNIS的靈敏度而言,仍能偵測到那些極高溫物質餘留的微弱亮光。EUNIS研究團隊終究成功地在攝譜儀影像中找到與1000萬K極高溫物質有關的譜線,雖然這條發射譜線並不強,但已足以清楚明白地分辨出造成這些譜線的極高溫物質,並成為極微閃焰確實存在的強烈證據。

不過,雖然已有數種理論議及,但對於極微閃焰產生機制還無定論。此外,也有極微閃焰以外的其他理論解釋日冕加熱的現象。這些科學家必須繼續努力,改善觀測工具和儀器後,蒐集更多觀測資料才能驗證他們的極微閃焰加熱日冕的理論是否正確。不過好在,至少沒有其他理論有預測這種極高溫物質的存在,所以極微閃焰理論還是很能站得住腳的。

轉載自 網路天文台

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