远离火堆时，人们通常会感到温度逐渐降低。然而，太阳却呈现出一种令人难以置信的反常现象：距离太阳表面更远的外层大气，温度竟然比可见表面高出数百倍。科学家长期以来一直试图解开这一谜题，寻找日冕持续维持极高温度的能量来源。
太阳的可见表面温度约为5500摄氏度，而被称为日冕的外层大气温度却能超过100万摄氏度。按照常理，离热源越远，温度应该越低，但太阳显然并不遵循这一简单规律。几十年来，日冕加热问题始终是太阳物理学领域的重要研究课题。
如今，中国研究人员通过实验室实验，发现了一种可能参与日冕加热的物理机制。他们利用激光产生等离子体，观察到一种特殊的结构能够将磁场集中到一起，进而促使磁能转化为热能。实验结果显示，在特定条件下，等离子体电子的峰值温度几乎达到对照实验的两倍。
2012年7月，美国国家航空航天局（NASA）的太阳动力学观测站曾记录到日冕雨现象。在这一过程中，冷却后的等离子体沿着磁力线向太阳表面回落。相关观测为研究太阳大气中的磁场活动和能量变化提供了重要线索。（图片来源：NASA戈达德太空飞行中心科学可视化工作室、SDO科学团队及虚拟太阳观测站）
这项研究由中国原子能科学研究院的孙卫、北京师范大学的平永利等研究人员参与开展。研究团队希望弄清楚，太阳大气中那些规模极小、难以直接观测的能量释放事件，是如何开始并产生加热效应的。
目前，科学家提出的一种重要解释是，太阳上可能存在大量微小的爆发事件，即所谓的“纳米耀斑”。单个纳米耀斑释放的能量有限，但如果它们在太阳大气中频繁发生，累积起来便可能为日冕提供可观的热量。此次实验正是围绕这些微小能量释放事件可能的触发机制展开研究。
太阳大气中充满了被称为等离子体的物质。与普通气体不同，等离子体中含有大量带电粒子，因此能够与磁场发生复杂的相互作用。太阳磁场不断变化，当原本连接方式不同的磁力线相遇并重新组合时，储存在磁场中的能量便可能迅速释放。这种过程被称为磁重联，释放出的能量能够加速和加热周围的粒子。
为了研究磁场在什么条件下容易发生重联，研究人员在上海神光二号激光装置上开展了实验。他们使用四束相互重叠的激光，照射表面带有细微波纹的塑料靶。每次激光脉冲持续时间仅约十亿分之一秒，却足以将靶材迅速加热并转化为等离子体。
随着等离子体向周围密度较低的环境扩散，其边界逐渐出现复杂的形态变化。原本较为平滑的边缘开始向外延伸，形成类似手指和蘑菇的结构。这种由密度差异和流体运动引发的变化，被称为雷利—泰勒不稳定性。
更关键的是，这些向外伸展的结构会在其尖端附近形成磁场，而相邻结构之间可能存在方向相反的磁场。随着结构不断发展，磁场逐渐被挤压和集中，为磁重联创造了有利条件。
研究人员通过计算机模拟进一步分析了这一过程。模拟结果表明，等离子体中不断延伸的指状结构能够将不同方向的磁场推向彼此，使磁力线更容易发生重新连接。磁重联释放的能量随后传递给周围的等离子体，从而提高其温度。
为了验证这些结构是否确实发挥了关键作用，团队还使用表面平整的塑料靶进行了对照实验。与带有波纹的靶材相比，平面靶产生的等离子体流动更加平滑，没有出现同样明显的指状结构。
随后，研究人员分析了实验过程中产生的X射线，以估算等离子体中电子的温度。结果显示，使用波纹靶时，电子峰值温度达到约82万摄氏度；而在平面靶实验中，测得的峰值温度只有前者的大约一半。这一差异表明，靶材表面的微小结构可能通过影响磁场的聚集和重联过程，显著增强等离子体的加热效果。
NASA的界面区成像光谱仪（IRIS）曾观测到太阳大气中的小型等离子体喷流。这些喷流为研究磁重联及其可能产生的加热效应提供了观测依据。（图片来源：NASA戈达德太空飞行中心科学可视化工作室）
为了进一步确认磁场在这一机制中的作用，研究人员还开展了不允许磁场形成的计算机模拟。在这种情况下，额外的加热效应基本消失。这一结果进一步支持了研究团队的判断：磁场的形成、集中和重新连接，是实验中温度明显升高的重要原因。
研究人员认为，太阳上可能存在与实验相似的物理过程。例如，在日冕雨发生期间，较冷、密度较高的等离子体会进入周围更热、密度更低的太阳大气。这种物质之间的相互作用可能形成不稳定的边界，并在特定条件下产生有利于磁场集中和重联的结构。
当然，实验室中的等离子体与真实太阳日冕仍存在显著差异。实验中的物质密度更高，相关过程发生的时间也远短于太阳上纳米耀斑的典型演化时间。此外，这套实验装置无法完整再现太阳磁场长期积累能量的全部过程。因此，研究人员还需要通过比较关键物理参数，判断实验结果究竟有多少能够应用于真实的太阳环境。
尽管如此，这项研究仍为探索日冕加热问题提供了新的实验依据。它表明，等离子体中的流体不稳定性可能帮助磁场集中，进而触发磁重联，并将磁能转化为热能。这一机制有望解释太阳大气中部分微小能量释放事件的形成过程。
不过，实验结果并不意味着科学家已经彻底揭开日冕高温之谜。未来还需要结合更多太阳观测、实验室研究和数值模拟，进一步确定这种机制在太阳上发生的频率，以及它究竟能为日冕贡献多少热量。只有弄清这些问题，科学家才能更准确地判断，这种微观能量释放过程在维持太阳外层大气的极端高温方面究竟扮演着多么重要的角色。
原文：sciencealert
