辛苦觀測7年，科學家終于發現太陽是一只生氣的河豚

圖片來源：SpongeBob SquarePants

撰文 | 不周

審校 | 王昱

你還記得，小時候拿起畫筆，在紙上畫下的第一個太陽長什么樣嗎？

畫一個圓，圓里畫一張笑臉，再用一段段凹曲線將“太陽公公”包裹起來——像一枚著火的荷包蛋。這幅簡筆畫，往往是我們對太陽的第一印象。我們難以直視高懸于頭頂的光球，但如果認真看過日落，你可能會意識到，小時候的簡筆畫，似乎只有中間的圓才算寫實，外面那一圈“刺”，只是對刺眼光線的一種描繪。

人類總希望離太陽近一些，再近一些，以便更清楚地觀測它，并理解它如何影響我們腳下的地球。于是，我們發射了堅固耐高溫的無人探測器，飛向太陽，以前所未有的清晰度凝視它。透過不同波段的影像中，太陽往往呈現為一個邊界分明的球體，表面看上去“麻麻賴賴”。這幅畫面很符合我們的直覺：太陽是個球，表面溫度極高，熾熱的等離子體一直在沸騰翻滾。

圖片來源：NASA

但我們肉眼可見的，并非太陽的全部。作為一顆恒星，太陽核心的聚變反應持續向外釋放著巨大的能量，這也是我們在地球上感受到光與熱的源頭。隨著能量從太陽內部出發，穿過稠密的輻射區和相對低溫的對流區，就抵達了太陽外層——光球層。光球層不是一層固體殼，而是一層薄薄的發光區域，僅有約500千米厚。

從這里開始，可見光開始能相對自由地逃離太陽，也就形成了我們所能看到的太陽表面。光球層在可見光波段太過明亮，導致更外層、更稀薄黯淡的色球層和日冕幾乎肉眼不可見，只有借助專業的觀測設備，或者在全日食短暫的幾分鐘，才可能窺見其像火焰般的真面目。

但太陽物理學家知道，在太陽沸騰的火焰之外，還藏著一個隱匿的、更難被察覺的物理邊界——阿爾文表面（Alfvén surface）。由于這個邊界太稀薄、太動態，完全無法像光球那樣拍成清晰的照片。在很長一段時間以來，太陽物理學家只能通過理論模型猜測它距離太陽有多遠，形狀什么樣，又如何隨太陽活動變化。

直到近些年，一些太陽探測器有了“貼臉”飛行的可能，科學家才終于“看見”這條物理邊界。據2025年12月發表于《天體物理學雜志快報》（

Astrophysical Journal Letters

影響的邊界

要理解這一河豚形態的隱形邊界，我們得先觀察稀薄、溫度卻高達上百萬攝氏度的日冕。在如此高溫之下，等離子體并不會安分地待在日冕中——高速運動的粒子時刻渴望擺脫太陽的引力束縛，飛入星際空間。也因此，如果將視野拉到更遠處，你發現日冕外層的確會持續向外膨脹，一股股帶電粒子構成的稀薄氣流，像漏氣一樣，源源不斷地從日冕各處以每小時數百千米的速度吹向星際空間——這就是太陽風，也是引起極光、地磁暴等現象的源頭。

但帶電粒子逃離日冕并不是一個輕松的過程。太陽磁場極為強大，像無形的韁繩一般，試圖控制身邊所有的帶電等離子體。因此在離太陽較近的地方，太陽風的速度并沒有那么高，磁場擾動沿著磁力線傳播的速度通常更高——這種特征速度也被稱為阿爾文速度，由瑞典物理學家漢尼斯·阿爾文 (Hannes Alfvén)于1942年首次提出。

圖片來源：NASA

阿爾文在研究宇宙中的等離子體時，意識到在導電流體與磁場共同作用下，磁場并非此前認為的靜止背景，而是像彈簧一樣能被“扯動”的介質。也就說，太空并不是真空一般的死寂，而是充滿了會傳遞信息的磁場的波動。隨著空間探測時代的到來，人類將探測器送入行星磁層，真實探測到了等離子體與磁場糾纏的行為，才證實了阿爾文的推測，也讓他獲得了1970年諾貝爾物理學獎。

阿爾文速度本質上代表著太陽影響力的傳播速度。在一定范圍內，太陽風外層的任何擾動和信息都能通過磁場向內傳回給太陽，太陽依然對太陽風具有“控制權”。但隨著太陽風越跑越遠，就會出現一個臨界點——當太陽風外流的速度增長到與阿爾文速度相當，甚至超過它時，擾動便再難傳回太陽，擾動信息也會被太陽風單向帶走。而決定太陽風“自由”與否的邊界，正是阿爾文表面。邊界以內，太陽風尚未完全掙脫控制；邊界以外，則是太陽風掙脫磁力線，脫韁而去，無法回頭的區域。

飛入母星勢力范圍

理解阿爾文表面，本質上是在探尋太陽如何掌控它的“領土”。對于太陽物理學家而言，阿爾文表面內是太陽的日冕活動，而當帶電粒子運動到阿爾文表面外，就變成了名為太陽風的行星際現象。阿爾文表面牽扯著太陽如何通過太陽風損失角動量——這直接關系到太陽自轉減速的過程，乃至它的整體壽命如何演化。而當它的范圍擴大時，意味著太陽風能帶走更多的粒子；而當它的形狀變得更粗糙，更不規則，也意味著太陽風在不同位置和時間上更難預測。這些變化都與地球軌道上的空間天氣息息相關。

然而，望遠鏡能看清光球與日冕的輪廓，卻很難直接拍攝太陽風速度的邊界；大多數探測器距離太陽又太過遙遠，只能測量到太陽風外側的數據。太陽物理學家只能借助徑向縮放模型（通過遠處太陽風參數倒推計算）和全球日冕模型（計算機模型日冕-太陽風范圍估算），推測阿爾文表面落在10~20個太陽半徑范圍內，并假定它大致是一個相對規整的圓球。但它究竟多光滑，還是布滿褶皺？是否會隨太陽活動周期變化？這些關鍵的細節都需要依靠實地測量。

圖片來源：NASA

2021年，美國航空航天局（NASA）的帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）肩負著“觸摸太陽”的使命，首次飛越日冕，并記錄了其中的粒子與磁場數據。帕克第一次飛越日冕，在大約19.8個太陽半徑處（距離太陽表面約1300萬千米），捕捉到粒子速度低于阿爾文速度的關鍵信號，觸及了阿爾文邊界的上沿。不過當時帕克只是短暫地切入其中，很快便飛越出來。隨著它每次繞太陽運行，軌道越發靠近太陽，也越來越頻繁地潛入阿爾文表面以下，帶回了更多的數據，科學家也得以接近阿爾文表面的真相。

原來是炸毛河豚呀

對太陽物理學家而言，帕克探測器在阿爾文表面內外穿梭幾次的數據，并不足以還原邊界的全貌。除了近距離、離散地采集數據，也需要遠處探測器提供的全局視角。美國哈佛-史密森尼天體物理學中心的太陽物理學家薩姆·巴德曼（Sam Badman，這項研究的第一作者）整合了帕克太陽探測器、太陽軌道飛行器（Solar Orbiter）以及位于地球軌道附近第一拉格朗日點（L1）的多臺監測衛星觀測數據。數據集的時間尺度覆蓋了2018年10月至2025年4月，從太陽活動最少的太陽極小期到太陽極大期的全過程；空間尺度也橫跨了0.045天文單位（au，日地平均距離，約1.5億千米）到1天文單位。

巴德曼和同事并不只想要知道阿爾文表面的平均距離，更想要描繪它的幾何形態，同時追蹤它在半個太陽活動周期內的起伏與變形。為此，他們開發了一套全新的物理算法。此前的阿爾文表面推算模型，通常假設太陽風勻速向外吹。但這種方法往往低估了太陽風在靠近太陽區域的持續加速過程，這就導致此前推算出的邊界比實際位置地約1.5~2.5個太陽半徑。通過修正太陽風的加速曲線，比對近日點與遠日點的觀測數據，阿爾文表面的地圖也逐漸清晰地顯現出來。

圖片來源：原論文

隨著太陽從2019年前后的極小期逐漸步入2024-2025年的極大期，阿爾文表面的平均高度，從最初約12～17個太陽半徑，一路擴張到現在約15～23個太陽半徑。在太陽極小期時，由于太陽相對“平和”，阿爾文表面的確如科學家想的那樣，形狀相對圓潤；但當太陽步入極大期，在膨脹之余，原本還算規整的邊界也布滿了無數向外突出的“尖刺”，大大增加了阿爾文表面的“非球性”，而這種不規則程度還會隨太陽黑子的數量增長同步劇增。研究人員推測，這些尖刺可能來自太陽極大期頻繁爆發的日冕物質拋射（CME），它們可能在太陽風中留下了持久的影響，導致”河豚“有時會突然豎起尖刺。

對于太陽而言，阿爾文表面的每一次“炸毛”都伴隨著巨大的能量交換。盡管從太陽極小期到極大期，阿爾文表面的平均半徑只增加了約30%，但由于角動量損失與半徑的平方成正比，這意味著太陽在極大期損失旋轉動能的速度幾乎翻了一倍，就像猛踩了一腳剎車一樣。了解太陽的阿爾文表面，或許能幫我們更好地理解太陽這類恒星如何隨時間流逝，自轉速度逐漸減慢，也為我們理解其他遙遠恒星的演化提供了參考。

這項發現可能也對理解太陽系外的行星具有重要意義。一些行星緊鄰其恒星運行，其中一些恒星的磁場活動遠強于太陽，導致其阿爾文表面延伸得更遠。如果一顆行星近距離圍繞活躍的恒星運行，那么它整個生命周期可能都會處于阿爾文表面以內，“這對居住環境來說，可能不是好消息，”巴德曼在接受

ScienceNews

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae0e5c

https://www.sciencenews.org/article/sun-outer-boundary-map-nasa-solar-probe

https://en.wikipedia.org/wiki/Alfv%C3%A9n_surface

https://en.wikipedia.org/wiki/Alfv%C3%A9n_wave

https://svs.gsfc.nasa.gov/4958/

https://en.wikipedia.org/wiki/Hannes_Alfv%C3%A9n

https://science.nasa.gov/mission/parker-solar-probe/

https://science.nasa.gov/sun/what-is-the-solar-wind/

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