这次他们又登上了一个科学高点

——记中国科学院紫金山天文台季海生研究员团队的最新科研成果

太阳是一颗恒星。在浩瀚的宇宙中，有着数不清的恒星，太阳是其中最普通的一员，但也是最特别的，其特别之处在于太阳是离地球最近的恒星，太阳为地球生命提供了光和热。对于科研人员来说，太阳是许多基本物理问题的天然实验室。太阳物理学是人类认识宇宙和宇宙磁场的起点，太阳物理中的前沿科学问题均牵涉到基本的物理学问题，一旦解决必将是人类在自然科学领域取得的重大突破。太阳活动会产生灾害性空间天气，经常给人类的高科技系统(通讯、卫星、导航和电力)造成负面影响。

中国科学院紫金山天文台“太阳活动的多波段观测研究”团组首席研究员、博士生导师季海生，多年来带领团队深耕太阳物理领域，主要致力于利用观测和模拟研究太阳活动、发展新的观测手段。利用自身的地面观测并联合空间观测在太阳和空间物理领域取得了一系列创新成果和科研进展，获得了国内外同行广泛认可。

地磁暴是太阳活动给地球磁场造成的一种剧烈扰动现象，地磁暴的强度从G1到G5分为五个等级，分别对应着轻微的“小扰动”和强烈的“极端地磁暴”。得益于空间和地面的密集观测和与之相应的深入研究，对于大的地磁暴，太阳物理和空间物理学家们自信已经能够预报强磁暴并能够确定其在太阳上的源区。然而，偶尔也有所谓的“问题地磁暴”能够躲过预报并隐藏自身在太阳上的源区。2023年3月23日，一场未曾得到预报的G4级磁暴突然袭击了地球，在地球上引起了广泛的极光，连我国部分北部地区都能够看到。由于太阳上比较平静，这好比是一片祥和的天气之中突然出现了10级大风而没有得到预报，当时相关的国际社会很震惊，各大网络媒体均做了报道。

季海生团队通过分析多颗太阳及空间探测器的遥感及实地测量数据，成功确认了2023年3月23日意外发生的大地磁暴的太阳源头：一个低密度跨赤道磁绳的隐蔽爆发。这是一种新型的磁场爆发，爆发没有活动区连接，没有产生耀斑，只有微弱的极紫外辐射，他们将之命名为“弱光磁爆发”(Faint Magnetic Eruption)。他们的结果以《Unexpected Major Geomagnetic Storm Caused by Faint Eruption of a Solar Trans-Equatorial Flux Rope》(赤道磁绳的弱光爆发所引起的意外大磁暴)为标题刚刚发表在《自然·通讯》之上。这一发现展示了低密度跨赤道磁绳可通过此类新型的特殊爆发产生大的地磁暴，对提升地磁暴的预报能力至关重要，同时也给太阳活动注入了新的研究内容和科学目标。国际太阳和空间物理领域有命名著名爆发事例的传统，譬如“巴士底事件”和“万圣节事件”，由于磁暴当天恰逢农历二月初二“龙抬头”，是中国的传统节日，寓意万物复苏，祈求一年风调雨顺，更代表了当代中国人昂扬向上的精神。研究人员把这个独特的磁暴命名为“龙抬头事件”，以便该事件永久性的体现它在太阳物理和空间天气学研究中的意义。与此同时，空间天气事件首次注入中国元素和当代中国人的精神，传统中国文化借助科学研究得到推广。

学术需要多年的传承，据了解，紫金山天文台“太阳活动的多波段观测研究”团组得益于原有的太阳物理研究室，该研究室是我国太阳物理的发祥地之一。走出了陈彪、叶式晖、尤建圻、宋慕陶和张伯荣等一批国际知名太阳物理学家，曾经服务于我国的空间天气预报，并带动了全国太阳物理学的飞跃发展。团组在首任首席黄光力研究员的带领下，着重利用地面和空间的从无线电波到伽马射线全波段的高分辨率资料，研究太阳各种活动的物理机制，在人才培养和成果产出方面均打下了厚实的基础。在国家自然科学基金项目的支持下，团队第二任学术带头人季海生研究员及其团队利用自身的地面观测并联合空间观测，一连发现了太阳物理中更多的新现象，对于太阳物理研究发展起到了重要推动作用。

据季海生介绍，太阳的爆发性活动是指太阳大气中突发的磁场能量的释放和磁化物质的抛射事件，主要包括太阳耀斑、日冕物质抛射，其中经常伴随有暗条爆发现象，暗条就是投影在日面上的日珥。太阳磁场在给地球带来麻烦的同时也是保护人类的第一道防线：即太阳上的磁拱其实也抑制了太阳往外的爆发。这一点此前科学家们还没有充分认识到。季海生团队对一个暗条的完整爆发进行高时间分辨率成像观测后发现，这个爆发暗条爆发被磁力线拽了回来，没有产生日冕物质抛射，即“失败的暗条爆发”。目前，越来越多的证据显示这一现象具有普遍性，该名词已成为本学科的专有名词——失败的爆发(Failed Eruption)。

太阳的辐射能量源自于其内部的不断进行的热核反应，因而，从太阳中心一直往外，温度应该是一路降低。但是，太阳大气温度从光球之上的温度极小区(4600 K)缓慢上升到光球之上2000公里处的几万度色球温度，再从色球边缘往上陡升至百万度以上的日冕温度。什么原因造成日冕反常增温一直是太阳物理学悬而未决的难题之一。季海生团队与美国大熊湖天文台合作，在国际上首次利用氦1083纳米谱线滤光器得到了太阳在这个波段的高分辨率“新面孔”，并发现了加热日冕的能量和物质的超精细通道。后续进一步发现了太阳谱斑区域的日冕加热过程与磁场振荡的相关性;同时，找到了高β等离子体中的磁声波的一种解析解。这些发现为解决长期困扰天文界的“太阳日冕加热问题”提供了新的思路和手段。

此外，在太阳上，大尺度的磁场被认为是由于太阳内部磁流体的剪切运动放大了磁场，放大后的磁场浮现至太阳表面形成了太阳黑子和活动区。然而，由于太阳内部是不透明的，大尺度磁场的放大过程无法被直接观测得到。另一方面，太阳表面存在着很多小尺度的磁场，其被认为是近太阳表面等离子体的湍流放大而来，也被称作局地发电机现象。然而，由于望远镜的分辨率以及磁场测量的灵敏度不足，局地发电机现象也很难被直接观测到。季海生团队利用太阳动力学卫星(SDO)与太阳过渡区成像仪(IRIS)的联合观测，在一例小黑子的快速运动过程中，发现了局地磁场放大的证据。该研究为今后进一步寻找局地发电机提供了新的思路，为理解太阳上的等离子体与磁场的相互作用以及能量的转换提供了重要的参考。

未来展望，季海生团队还首次提出了太阳磁场的三维立体观测概念，并成功进行了模拟和预研，同时提出利用小行星进行太阳极轨探测的方案，此方案是在国际上首次大胆提出的创新方案。目前，团队正在澳门科技大学合作，利用“澳科一号”卫星高精度的磁场、粒子和软X射线流量等数据，并结合太阳观测数据，试图从太阳源头开始厘清各类灾害性空间天气的因果链条，该项目得到了国家自然科学基金指南引导类原创探索计划项目的支持。通过他们的努力，有望揭开灾害性空间天气发生过程中更多不为人知的秘密。(文/丁旭)