解决了:神秘的太阳悖论,困惑的物理学家25年

太阳能大气冠状大气弹射

显示冠状大气的太阳气氛的图像。信用:NASA / SDO

1998年,杂志自然发表了一个精彩的字母结论是,最近在太阳能大气钠原子发出的光中最近发现的神秘偏振信号意味着太阳铬圈(太阳能大气层的一个非常重要的层)实际上是不达到的,与共同智慧急剧矛盾。该悖论的实验室实验和理论研究,而不是提供解决方案,提出了新问题,甚至导致一些科学家们质疑辐射物质相互作用的量子理论。

在2021年8月18日发表和突出显示的文章中,由盛名物理评论信, Ernest Alsina Ballester (IRSOL和IAC), Luca Belluzzi (IRSOL)和Javier Trujillo Bueno (IAC)为这个有趣的悖论提供了解决方案,这个悖论在过去的几十年里一直困扰着太阳物理学家。这项研究开辟了一个新的窗口,用于探索太阳能铬圈的难以通过磁场的大型孔径太阳能望远镜的新时代。


25年前,发现了一种神秘的信号同时使用苏黎世成像偏振仪(ZIMPOL)分析太阳光的偏振。这个神秘的线偏振信号出现在中性钠D1线的5896 Å波长处,根据该线的量子数,这里不应该出现由于散射过程而产生的线偏振。因此,这种极化信号完全出乎意料,对它的解释立即引起了一场激烈的科学辩论。两年后,当《自然》杂志发表了一封解释信时,这个谜团进一步增加D1线较低级别的子级别不相等。在这一理论工作中,D1线的神秘极化信号得到了很好的再现。然而,所提出的解释暗示太阳大气中被称为色球层的区域是完全不磁化的,这与已确定的结果明显矛盾,而不是表明太阳色球层的安静区域(太阳黑子之外)在高斯范围内被磁场渗透。这引发了一个严重的悖论,多年来一直在挑战太阳物理学家,甚至导致一些科学家质疑量子理论原子光子相互作用。

第一次突破对悖论的解决在2013年实现在IAC,当卢卡Belluzzi和哈维尔·特鲁希略好理论上发现了一种新的线性极化机制可以产生钠D1线不需要人口失衡在D1的低水平。然而,这些研究人员给出的重要步骤是在没有磁场的理想情况下的太阳大气模型。

日光线偏振随波长的变化

在太阳能D1和D2光谱线(左侧面板)和D1(右侧面板)上的阳光线性极化波长(Q / i)的变化。黑色曲线表示观察到的信号(测量在IRSOL与Zimpol仪器中进行)。红色和蓝色曲线显示忽略(红色)和包括(蓝色)磁场所进行的理论计算结果。当假设太阳铬层的静音区域(外部太阳黑子)被15个高斯的磁场渗透到太阳铬圈的静音区域(外部太阳黑子)之间获得了良好的一致性。信用:irsol - iac

在2021年8月18日发表的一篇文章中物理评论信欧内斯特·阿尔西纳·巴莱斯特(Ernest Alsina Ballester)、卢卡·贝鲁齐(Luca Belluzzi)和哈维尔·特鲁希略·布埃诺(Javier Trujillo Bueno)为这个有趣的悖论提供了解决方案,这个悖论自1998年以来一直困扰着太阳物理学家。如图1所示,这个研究小组已经能够在高斯范围内磁场存在的情况下,再现D1线极化的神秘观测结果。为了达到这一结果,必须对极化信号进行最完整的理论建模,以解释非常复杂的物理机制的联合作用。这需要三年的工作,是通过位于洛卡诺-蒙蒂的Ricerche Solari研究所(IRSOL)(隶属于Università della Svizzera italiana)和位于特内里费的Astrofísica de Canarias研究所(IAC)的POLMAG小组的密切合作进行的

这个结果有非常重要的影响。线偏振信号,如钠的D1线所观察到的,是非常有趣的,因为它们编码了太阳色球层中难以捉摸的磁场的独特信息。太阳大气的这一关键界面层位于底层较冷的光球层和覆盖在上面的百万度日冕层之间,是太阳物理学中几个持久问题的核心,包括对可能强烈影响我们依赖技术的社会的爆发现象的理解和预测。众所周知,磁场是磁场的主要驱动因素太阳能铬圈的壮观动态活动,但我们对其强度和几何形状的实证知识仍然很大程度上不满意。太阳能D1线偏振的长期悖论的解决方案证明了谱线极化的当前量子理论的有效性,并打开了一个新窗口,探讨了当前大型孔径太阳能新时代的太阳能气氛的磁性望远镜。

参考:“解决太阳能钠D1线极化的悖论”,欧内斯特·阿尔西纳珠光,Luca Belluzzi和Javier Trujillo Bueno,8月2021年8月18日,物理评论信
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.081101

本研究已通过欧盟地平线2020研究和创新计划(高级拨款协议No.742265),通过200021-175997和欧洲研究委员会(ERC)获得了瑞士国家科学基金会(SNSF)的资金。

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