近日，地球與空間科學(xué)學(xué)院田暉教授和楊子浩同學(xué)等人首次測量得到日冕磁場的全球性分布，為日冕磁場測量這一世紀難題的解決提供了一個新的有效途徑，從而向?qū)崿F(xiàn)日冕磁場常規(guī)測量的最終目標邁進了一大步。兩篇相關(guān)論文近日分別發(fā)表在Science 雜志（《科學(xué)》）和Sci China Tech Sci 雜志（《中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)》）上。

磁場對于我們的太陽來說具有極其重要的意義，這主要體現(xiàn)在三個方面：(1) 太陽黑子的11年周期本質(zhì)上是太陽大尺度磁場的周期性轉(zhuǎn)化；(2) 太陽系中最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象——太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射通常是由太陽磁場的演化所驅(qū)動的；(3) 與磁場相關(guān)的物理過程導(dǎo)致了太陽外層大氣——日冕的百萬度高溫，并因此產(chǎn)生充滿行星際空間的超聲速太陽風。正是因為磁場，關(guān)于太陽的科學(xué)研究才會數(shù)百年來一直長盛不衰（從17世紀初伽利略用望遠鏡觀測和研究太陽算起）。

圖1 根據(jù)勢場源表面模型計算得到的太陽三維磁場結(jié)構(gòu)。不同顏色的線代表磁力線，中間為光球磁場在視線方向上的分量分布圖(Yang, Tian, Tomczyk, et al. 2020,  Sci China Tech Sci )

由于磁場的重要性，測量太陽磁場一直都是太陽物理學(xué)家最重要的使命之一。20世紀初，著名天文學(xué)家George Ellery Hale基于剛發(fā)現(xiàn)不久的物理學(xué)原理——塞曼效應(yīng)(譜線在磁場中分裂的現(xiàn)象，1902年諾貝爾物理學(xué)獎)，首次直接測量到太陽黑子中數(shù)千高斯的磁場。在那之后，塞曼效應(yīng)一直被用于測量太陽表面(光球)的磁場。然而100多年過去了，我們對太陽磁場的常規(guī)測量仍局限在光球。光球之上的太陽大氣，尤其是最外層的日冕，由于磁場很弱，很難通過塞曼效應(yīng)來測量。由于太陽大氣各層次中的磁場實際上是一個整體，磁場將各層大氣耦合在一起，這導(dǎo)致太陽上最重要的物理過程大多跟磁場的三維結(jié)構(gòu)及其演化有關(guān)，因此，日冕磁場測量的困難極大地制約了太陽物理研究的發(fā)展。

在缺乏日冕磁場測量的現(xiàn)實條件下，我們通常只能在一些假設(shè)下，通過模型來重構(gòu)出日冕磁場位形。但是這些模型假設(shè)對于日冕中的有些區(qū)域不一定成立，而且不同模型重構(gòu)得到的磁場結(jié)構(gòu)經(jīng)常不一樣。另一方面，太陽物理學(xué)者也在孜孜不倦地尋找其他能夠用來測量日冕磁場的方法，但之前已知的方法都難以對日冕的全球性磁場進行常規(guī)測量。

圖2 2017年日全食期間，北京大學(xué)研究生陳亞杰、張婧雯等人拍攝的日冕紅線圖像（Chen, Tian, Su,et al. 2018,  ApJ ）

20多年前，一種被稱為“磁震學(xué)”的方法被認為能夠用于日冕磁場的測量。其基本原理是根據(jù)冕環(huán)等結(jié)構(gòu)中偶而發(fā)生的震蕩或波動現(xiàn)象的觀測，結(jié)合磁流體波動理論，來診斷日冕中的磁場。但由于這些震蕩現(xiàn)象通常只是發(fā)生在日冕中很小的區(qū)域內(nèi)，并且震蕩經(jīng)過幾個周期后就衰減消亡了，這種方法一般只能給出震蕩結(jié)構(gòu)的平均磁場強度，在少數(shù)情況下也只能給出磁場強度沿著某條線的一維分布，因此其應(yīng)用比較有限。要打破這個瓶頸，對更大區(qū)域內(nèi)的磁場及其演化進行測量，需要將磁震學(xué)方法應(yīng)用到更加普遍的波動現(xiàn)象上。近年來，利用新一代太陽望遠鏡，人們確實發(fā)現(xiàn)日冕中存在至少兩類比較普遍的震蕩或波動現(xiàn)象：第一類是冕環(huán)中無衰減的橫向震蕩，由兩個研究團隊分別通過極紫外成像觀測和光譜觀測發(fā)現(xiàn)（Wang et al. 2012; Tian et al. 2012）；第二類是日冕中幾乎處處都存在的傳播的磁流體橫波，最早由美國國家大氣研究中心的學(xué)者通過日冕多通道偏振儀(CoMP)的光譜觀測所發(fā)現(xiàn)（Tomczyk et al. 2007）。

CoMP是一臺具有成像光譜觀測能力和偏振測量能力的地面日冕儀，可觀測Fe XIII 1074.7 nm和1079.8nm等近紅外譜線。田暉課題組與CoMP團隊合作，近年來在日冕物質(zhì)拋射的大視場光譜觀測（Tian et al. 2013）、日冕暗腔磁場結(jié)構(gòu)的診斷（Chen et al. 2018）等方面取得了多項研究成果。近期，他們提出基于日冕中普遍存在的磁流體橫波來測量磁場的新方法。他們首先將過去局限于部分區(qū)域的波動追蹤方法拓展到整個視場范圍，從而獲得這些波動傳播速度的全球性分布。之后，他們利用1074.7 nm和1079.8nm譜線輻射強度之比對密度敏感的特性，得到了日冕等離子體密度的全球性分布。最后，在波動追蹤和密度診斷的基礎(chǔ)上，他們首次基于日冕觀測獲得了日冕磁場的全球性分布（圖3）。

圖3 CoMP觀測的日冕磁場強度（左）和方向（右）分布圖疊加在SDO衛(wèi)星拍攝的日冕圖像上(Yang, Tian, Tomczyket al. 2020,  Sci China Tech Sci ；Yang, Bethge, Tian, Tomczyk, et al. 2020, Science )

這一研究實現(xiàn)了用磁震學(xué)方法測量日冕磁場從點、線到面的飛躍，填補了全球性太陽磁場測量的空缺，向?qū)崿F(xiàn)日冕磁場常規(guī)測量的最終目標邁進了一大步。未來，將這一方法運用到類似CoMP的儀器的日常觀測數(shù)據(jù)中，就可以實現(xiàn)全球性日冕磁場的常規(guī)測量，從而推動太陽周期、日冕加熱、太陽爆發(fā)及空間天氣預(yù)報等重大課題的研究。這一方法測量到的是垂直于視線方向上（天空平面）的磁場分量，而無法得到沿著視線方向上的磁場分量。因此，我們?nèi)孕枰３珠_放的心態(tài)，繼續(xù)探索并結(jié)合其他可用于測量日冕磁場的有效方法。

兩篇論文的第一作者均為北京大學(xué)研究生楊子浩，《科學(xué)》論文的通訊作者為田暉教授和CoMP儀器負責人SteveTomczyk博士，《中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)》論文的通訊作者為田暉教授。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、德國馬普伙伴小組等項目的聯(lián)合支持。

田暉現(xiàn)為地空學(xué)院教授、國家杰出青年基金獲得者，兼中科院太陽活動重點實驗室主任，主要從事太陽物理的相關(guān)研究工作。2014年以來，田暉及其課題組在太陽過渡區(qū)結(jié)構(gòu)、黑子和耀斑動力學(xué)、低層大氣磁活動與日冕加熱、日冕磁場診斷等方面取得了多項研究成果，其中在Science上發(fā)表第一/通訊作者論文3篇，在ApJ等天文和空間科學(xué)領(lǐng)域主要期刊上發(fā)表論文近20篇，獲美國天文學(xué)會太陽物理分會2020年度HarveyPrize等獎勵。