我国首颗探日卫星“羲和号”又有新发现
2024年6月，南京大学与中国科学院云南天文台、中国航天科技集团有限公司第八研究院的科研人员通过分析我国首颗探日卫星“羲和号”的观测数据，精确绘制出国际首个太阳大气自转的三维图像。相关论文13日发表在国际学术期刊《自然·天文学》上。
自转是所有恒星的内禀属性。恒星的自转速度和规律对恒星的形成、结构与演化以及恒星大气与行星际空间的相互作用，都有至关重要的影响。因此，探测恒星自转的规律，是现代天文学观测的基本目的之一。作为离人类最近的恒星，也是唯一一颗可实现高空间分辨率观测的恒星，太阳成为了科学家研究恒星自转的重要标本。
论文第一作者、南京大学博士生饶世豪介绍说：“太阳的结构从内到外可分为核心区、辐射区、对流区和大气层。经过几十年的研究，科学界已基本探明太阳自转的两个重要规律：一是从辐射区到更外层的对流区，自转速度存在明显变化；二是自转速度从赤道向两极递减。”然而，对于太阳表面的大气层，其自转有何规律，至今尚无明确结论。
“羲和号”卫星
此次，南京大学“羲和号”团队利用卫星采集到的多谱线、全日面、高精度的观测数据，对太阳大气层自转规律有了较为精确的认识。
“羲和号”是我国首颗太阳探测科学技术试验卫星，在国际上首次实现了太阳Hα波段光谱成像的空间观测。它可以同时获取多条谱线的精细结构，包括Si I（6560.58 Å）、Fe I（6569.21 Å）和Hα（6562.81 Å）谱线。
论文共同通讯作者、“羲和号”首席科学家丁明德教授表示：“利用这些谱线的高精度观测，再运用谱线形成的反演方法，我们可以推导出太阳大气不同层次的多普勒速度场，相当于给整个太阳大气做了一次全方位的扫描，由此，我们也得到了国际首个太阳大气多层次多普勒速图。”
太阳大气由光球层底部到色球层不同高度处的多普勒速度图
分析结果显示，太阳大气的各个层次都呈现出自转速度从赤道向两极逐渐降低的规律。更精细的分析发现，越靠近太阳外层，大气的自转速度越快。这恰恰与直观认识相悖，因为如果考虑太阳高层大气的转动是由低层大气的粘滞效应带动的，那么自转速度应该随高度而降低。
太阳大气自转速度随高度和纬度的分布
对此，论文通讯作者、“羲和号”科学与应用系统总设计师李川教授介绍：“如果外层大气的转动是由内层大气的粘滞效应带动的，那么自转速度应该随高度而逐渐降低。”这种“反常”现象是由无处不在的小尺度磁场结构与太阳大气“磁冻结”效应造成的。
太阳色球多普勒速度场与视向磁场分布的对应关系
不同高度存在不同程度的磁冻结效应，意味着离子与中性粒子的相互作用也不同，太阳大气的加热模型需要考虑这个因素。太阳高层大气的较快的自转速度，意味着太阳风损失的角动量不可小视，这对太阳自转起到了“制动”作用，因此随着年龄增大太阳自转会逐渐减慢。该项科学发现对理解太阳发电机、太阳大气加热、太阳自转的长期变化带来重要的观测证据。
南京大学“羲和号”团队合影
“羲和号”科学总顾问、中国科学院院士方成介绍，“羲和号”2021年发射升空，至今仍在轨稳定运行，相关观测数据由南京大学太阳科学数据中心向全球开放共享，已得到法、德、美、日等10余个国家的太阳物理研究学者应用。国际著名天文学期刊《The Astrophysical Journal Letters》专门组织热点专辑，报道“羲和号”首批科学成果（https://iopscience.iop.org/collections/Focus-on-Early-Results-from-CHASE），这是中国天文观测设备首次在ApJ系列刊物上以专辑形式发表研究成果。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02299-4