紐澤西理工學院（NJIT）的物理學家在分析了近三十年的太陽聲學數據後，報告了太陽發電機——驅動太陽 11 年週期和爆發性事件的磁場發動機——的運作證據，其位置位於太陽表面下約 20 萬公里處。
太陽的磁場每十一年就會翻轉一次。太陽黑子——太陽表面標記著強烈磁場活動並經常引發太陽爆發的較冷暗區——會在中緯度地區出現，並以蝴蝶狀的模式向恆星赤道遷移，然後在週期重置時消失。
雖然這種恆星表面的奇觀長期以來一直為天文學家所見，但這個強大週期在恆星內部從何處開始卻一直隱藏著——直到現在。
紐澤西理工學院（NJIT）的研究人員分析了近三十年的太陽振盪數據，以追蹤太陽內部的動力學，並已指出該恆星磁場發動機的可能位置，它深藏在表面之下——約 20 萬公里深，大約相當於將 16 個地球首尾相連的長度。
這項發表在《自然科學報告》（Nature Scientific Reports）上的研究成果，提供了迄今為止最清晰的太陽磁場發動機——太陽發電機——的觀測窗口，揭示了塑造空間天氣模式的隱藏力量，這些模式與太陽週期相關，不僅影響我們最近的恆星，也可能影響銀河系中的其他恆星。
「直到現在，我們從恆星內部聽到的聲音還不足以確定太陽強烈磁場的組織結構。」主要作者、NJIT 物理學研究教授 Krishnendu Mandal 表示。「太陽黑子是驅動太陽表面空間天氣的磁場的視覺足跡，但太陽振盪數據告訴我們，實際負責產生它們的『引擎室』起源於更深的地方。」
探測太陽內部跨越太陽週期
為了調諧到太陽的內部，該團隊整合了來自 NASA 太陽和日球層探測器（SOHO）上的 Michelson Doppler Imager（MDI）、太陽動力學探測器（SDO）上的 Helioseismic and Magnetic Imager（HMI）以及地面 Global Oscillation Network Group（GONG）大約 30 年的觀測數據。
自 1990 年代中期以來，這些儀器每 45 到 60 秒記錄一次由恆星內部湍流電漿運動產生的聲波。
透過結合這些觀測，研究人員分析了數十億個獨立的測量數據，創建了迄今為止最長、最詳細的太陽內部振動記錄之一。
「日震學仍然是一個年輕的領域……可靠的觀測數據僅在 1990 年代中期 GONG 首次上線時才開始。」Mandal 解釋道。「現在，有了近三個 11 年太陽週期的數據，我們終於看到了清晰的模式正在成形，為我們提供了窺視恆星內部的窗口。」
就像研究地球地震的地震學家一樣，研究人員分析了穿過太陽的聲波——測量了聲波在太陽內部傳播時間的變化，這些變化揭示了恆星內部熱電漿的移動和旋轉方式，從而暴露了表面下較快和較慢旋轉的帶狀區域。
該團隊的分析顯示，這些在太陽深處遷移的旋轉帶形成了一個蝴蝶狀的流動模式，與後來出現在表面的太陽黑子遷移模式相呼應。
分析這些內部流動模式，將該團隊引導至表面下約 20 萬公里處的一個關鍵過渡層——稱為 tachocline（切變層）。
這個薄邊界分隔了太陽湍流的外對流層——電漿在此處翻騰上升——以及其下方的穩定輻射層內部。在切變層，太陽的旋轉突然改變，產生強大的剪切流，能夠為太陽的磁場提供能量。
「起源於太陽切變層附近磁結構變化的旋轉帶需要數年時間才能傳播到表面。」Mandal 說。「追蹤這些內部變化使我們對太陽週期如何展開有了更清晰的認識。」
上方：太陽內部和外層大氣的示意圖，顯示了核心、輻射層和對流層——由切變層分隔——以及太陽黑子、耀斑、色球層和日冕等表面特徵。圖片來源：NASA
所有三個儀器上流動模式與其與表面太陽黑子遷移的匹配程度之間揭示的相關性，顯示了太陽深處內部動力學與全球規模的太陽活動之間存在明顯聯繫。
「多年來，我們懷疑切變層對太陽發電機很重要，但現在我們有了清晰的觀測證據。」Mandal 說。
上方：動畫顯示太陽內部旋轉速度較快和較慢的帶狀區域的演變。紅色區域標記著比平均速度略慢的電漿旋轉，而藍色區域標記著比平均速度快的電漿旋轉。速度模式起源於切變層（虛線）附近，並逐漸向表面傳播。這些內部流動與太陽週期期間看到的太陽黑子遷移有關。圖片來源：K. Mandal/NJIT
釐清發電機的運作位置，有助於科學家改進用於預測太陽活動的模型。強烈的太陽爆發——包括耀斑和日冕物質拋射——會干擾地球上的衛星、通訊系統、導航信號和電網。
「雖然我們的發現尚未能精確預測未來的太陽週期，但它們強調了在空間天氣預測模型中包含切變層的重要性。」Mandal 說。「許多目前的模擬僅考慮了近地表層次的過程，但我們的結果表明，必須考慮整個對流層，特別是切變層。」
這些發現也可能對太陽以外的領域產生影響。
「許多恆星表現出與太陽相似的磁場週期，但由於地球的鄰近性，我們能為太陽獲得的高解析度數據，對於其他恆星來說是無法企及的。」Mandal 說。「理解太陽發電機為我們提供了一個研究銀河系中其他恆星磁場活動的框架。」
由研究合著者、NJIT 傑出教授 Alexander Kosovichev 領導的 NJIT 計算日震學中心團隊，計劃進一步擴展團隊的分析和數值模擬，以完善他們對發電機如何演變和驅動太陽活動的理解。
「關於太陽的內部磁場如何演變，我們仍然知之甚少。」Mandal 說。「隨著更長的數據集和更好的觀測，我們希望能夠追蹤這個和未來太陽週期中的這些模式，可能為我們提供影響我們日常生活的空間天氣的更好預測。」
該研究「Helioseismic Evidence that the Solar Dynamo Originates Near the Tachocline」（日震學證據表明太陽發電機起源於切變層附近）得到了 NASA 的資助，包括來自 NASA DRIVE 科學中心的一項名為「太陽內外場和流的後果」的資助——該中心是美國 13 所大學和研究中心的合作機構，NJIT 是其中一個貢獻機構。