科学家首次发现太阳“极光”，黑子上空的奇妙现象

大家好，我叫周煦之，来自北京大学空间物理与应用技术研究所。今天我在上课的时候回答了一个科学问题，然后惨遭打脸。所以现在特别心有不甘，但又觉得这个问题其实挺有价值的，所以想在这里，复盘一下。

这个问题很简短：太阳上有极光吗？极光这个概念我挺熟，所以我侃侃而谈。我说，我们先从地球上的极光说起。当太空中的高能带电粒子沿着磁力线进入地球极区大气层的时候，大气层中的中性粒子，主要是氧和氮的原子或者分子，就会被轰击到一个比较高的能态。然后当它们从这些高的能态跃迁回基态的时候呢，就会放出特定波长的光子，这也就对应于地球极光中几条特定的谱线，或者通俗的说，几种不同的颜色，最强的就是绿色和红色（附图1）。

图1：地球极光的颜色

当然其它行星也可以有极光。比如木星。木星大气层的主要成分是氢，所以在木星极光中，最强的就是氢的一些特征谱线，比如说紫外波段的Lyman-alpha线。但太阳呢？太阳上发生的事情其实是反过来的——太阳光谱中有一些暗线（附图2）。这种光谱叫做吸收光谱，它的产生是因为太阳光本身很强，那么这些光子在通过太阳高层大气的时候呢，如果频率跟特定元素的谱线对上的话，就会被吸收，形成暗线。这个能叫极光吗？我觉得不能。

图2：太阳吸收光谱

没想到这位同学是有备而来的。他给我展示了一篇报道，题目是《科学家首次在太阳表面发现类似于地球极光现象》，援引了今年发表在Nature Astronomy，也就是天文领域的顶级期刊《自然·天文学》上的一篇论文，说在太阳黑子附近发现了极光，频率还比地球极光强数千倍。我瞬间就懵圈了。地球极光的频率大致在可见光范围内，如果频率要比地球极光高几千倍的话，那应该属于X射线。难道这篇文章讲的是太阳软X射线爆发吗？当然，太阳耀斑确实会发出软X射线，不过这个算不上什么新的发现，而且按说也不能叫做极光吧。所以我只能很坦白的跟那位同学说，我不知道，容我回家翻翻这篇论文。

回家我才发现，这篇论文讲的实际上是射电辐射。射电波是波长很长的一种电磁波。我们通常提到的可见光，波长大概是几百纳米的样子，比如说极光中的红光，波长就是630纳米。但射电波的波长有多长呢？举个例子，我们有时会观测到一种射电辐射，叫地球极光千米波。顾名思义，波长大概就在千米的量级，比可见光长了几十亿倍。说到极光千米波，我想给大家展示一张很著名的观测图片，来自明星科学家卡尔·萨根。大家知道，卡尔·萨根一直对外星生命有浓厚的兴趣。所以有一次，他想，也许我们可以从外星人的视角来观测地球？因为人类每天都在使用各种电磁波，他就想看看，如果让太空中的卫星来观测地球，能看到哪些电磁波，这样我们去搜寻外星人，也就有了参考（附图3）。他利用了一颗叫做伽利略号的卫星，确实也观测到了来自人类活动的电磁波，图中左上角的这些横条就是。不过除此之外呢，我们还可以看到很多不同的电磁波，比如左下角有一些零散的波动，图中标注为AKR。这个AKR代表Auroral Kilometric Radiation，也就是极光千米波。

图3：卫星对地球电磁波的观测，摘自Sagan et al., Nature, 1993

从这张图中看起来，极光千米波好像不是很显眼，但实际上，它们一经发现，马上就引起了科学家们的强烈关注。因为它有好几条很特别的性质。首先是这种波动非常强，强到什么程度呢？如果把观测到的射电辐射视为黑体辐射，拿普朗克公式去拟合的话，对应的等效温度大概是10的14次方这样的量级。这个温度太离谱了，所以显然它们不是来源于热辐射。另一条性质更有意思。大家知道，如果把一个电子放到磁场中，它会环绕着磁场运动，这种运动的频率叫做电子回旋频率。人们发现，在地球极区磁场中的电子回旋频率就跟极光千米波的频率非常接近。还有，极光千米波，波如其名，激发的区域位于地球的高纬极光区，而且传播方向基本上是垂直于磁场方向的。所以可以想象，这种波动的激发应该跟极区高空中电子环绕磁场的回旋运动有关，但具体激发过程是怎么样的，其实到现在还有一些争论。

目前主流的看法是，这种波动是由一种叫做电子回旋脉泽不稳定性的过程激发的。这种不稳定性听起来就很复杂，当然确实也挺复杂的，但我们可以给一个简化的版本。想象现在有一个很弱的电磁波动，它的偏振方向和频率都跟某个电子的回旋方向和频率一致。那么从这个电子的观测视角来看，这个波动的电场始终和自己有一个固定的相位差。所以这个电子可以持续的被加速或者减速，或者说，这种波和电子之间的共振导致了强烈的能量交换。当然，太空中的电子很多，有些电子会把能量给波，有些则是波把能量给电子。如果前者更多的话，那么这个电磁波就会越来越强，直到可以作为极光千米波被观测到。

不过这里有一个问题。如果太空中的电子速度分布满足玻尔兹曼分布，而且朝每个方向运动的电子数量一样多的话，那么可以把能量交给电磁波的电子数量是要少于从电磁波中获得能量的电子数量的。所以在这种情况下，极光千米波不会出现。但宇宙就是这么神奇。在地球的高纬区域上空，朝不同方向运动的电子数量是不一样多的。这个原因和极光直接相关。我们刚才提到了，地球极光主要是太空中的电子沿磁力线抵达极区大气层而产生的。那么如果考虑一个在太空中的电子，它的运动方向跟磁力线有一个比较大的夹角，那它会怎么运动呢？它会在特定的高度被强磁场反弹回来（附图4）。也就是说，只有那些轰击到地球大气层的电子不会被反弹。所以在地球极区的上空来看的话，就会发现电子可能会朝着任何一个方向运动，除了一个方向——也就是逆着磁力线的方向，几乎没有电子会沿这个方向运动。这种各向异性的电子速度分布就会导致电子回旋脉泽不稳定性，从而产生极光千米波。这也是为什么明明这种射电辐射的波长比平时说的极光长了几十亿倍，我们还会拿极光给它来命名的原因。

图4：地球磁场中的电子运动示例

类似的射电辐射也可以在其它行星，比如木星和土星上看到。当然，它们的频率和地球上的极光千米波会有一些不同。原因很简单，刚才也提到了，极光千米波的频率很接近于电子的回旋频率，而电子回旋频率又由当地磁场决定。因为木星的磁场比地球强的多，所以相应的射电辐射频率也比地球更高。实际上，人类历史上第一次测量木星磁场就是通过这种方法，利用木星射电辐射的频率去反演获得。甚至在一些低质量的恒星上，人们也观测到了类似的射电辐射，一般认为，这种射电辐射也是来源于同样的。

最后我们再回到太阳。这篇发表于《自然·天文学》上的论文的新颖之处在于，他们在太阳上观测到了类似的射电辐射，它们持续的时间比平时看到的太阳射电暴长很多，而且发生的位置在太阳黑子上空。这个过程可以用作者的一个示意图来表示（附图5）。图中下方的两个黑色区域代表两个太阳黑子。太阳黑子处的磁场很强。从图中也可以看出来，连接这两个黑子的磁力线呈弧线型，而且磁力线两端的磁场更强，中心磁场更弱。这个形态也有些类似于连接地球南北极的磁力线形态。所以作者做了一个类比，认为在太阳黑子的上方，也会有更多的电子垂直于磁力线而不是平行于磁力线运动，从而导致了电子回旋脉泽不稳定性的发生，从而激发射电辐射。因为黑子上方的磁场强度比地球极区强得多，所以对应的辐射频率也要比地球的极光千米波高几千倍。

图5：太阳“极光”射电辐射示意图

我觉得，这是一个蛮有意思的发现，尤其是他们提出了一种新的可能性。过去人们观测到一些低质量恒星发出的射电信号的时候，一般都认为，这些射电波动来源于恒星全球性的磁场。但现在我们知道还有另一种解释。或许这些恒星上也存在着黑子，黑子之间的小尺度的磁场形态也同样可以激发射电辐射？这种猜想就有待进一步的研究来检验了。

最后话又说回来了。这种太阳上的射电辐射可以叫做极光吗？也许可以，不过，这种射电波段的所谓极光和平常我们说的极光虽然有一些因果关联，但毕竟还是非常不一样的。或许我们在做科普的时候应该更谨慎一点，不要简单的把二者混为一谈？这也是我做这个视频的初衷，和大家共勉，也希望大家能有所收获。谢谢！

作者：周煦之 北京大学空间物理与应用技术研究所研究员

审核：孙志斌 中国科学院国家空间科学中心研究员