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袁丁副教授团队研究成果登上《自然•天文学》:“人造太阳”将来有望成真
发布时间:2023-05-26 08:43:58 4299

【哈工大(深圳)宣】(空间科学与应用技术研究院 文/图)科幻小说《三体》描述的未来世界里,人类造出了可控核聚变装置——反应炉中燃起的“微型太阳”,消耗少量的燃料就能释放出巨大的热量用于发电,这种装置被称为“人造太阳”。现实中,科学家们也一直在为构建安全、清洁、高效、可持续的“人造太阳”而努力。哈工大(深圳)空间科学与应用技术研究院冯学尚教授与袁丁副教授面向“太阳日冕加热问题”,利用全球最大口径的太阳望远镜和高性能计算机模拟手段,提出了太阳等离子体加热的革新性物理机制。该成果有望推动“人造太阳”相关科研再上新台阶。

近日,该成果以“Transverse Oscillations and Energy Source in a Strongly Magnetized Sunspot”《强磁化太阳黑子中的横模震荡与能量源》为题发表在《自然·天文学》上,袁丁副教授为第一兼通讯作者,硕士研究生付立博为第二作者,冯学尚教授和博士后Blazej Kuzma为合作作者。

“神助攻”让科研如虎添翼

太阳的能量均来自于太阳内部的核聚变反应——能量由内向外传输,从太阳内核到太阳表面(光球层),温度从1600多万摄氏度降低到5000多摄氏度。按常理,日冕处于光球层之外,距离内核的热源更远,其温度应该更低。但日冕的实际温度却高达数百万摄氏度,比光球层高出3-4个数量级,这就是困扰物理学界百年的难题——太阳日冕加热问题。该问题在2012年被《科学》选为当代天文学的八大未解之谜之一。

日冕的主要成分是电离的气体——等离子体。为了揭示日冕加热的物理过程,太阳物理学家提出了两种太阳等离子体加热机制:磁场重联机制和磁流体波加热。其中,磁场重联的空间尺度小、时间尺度短,现行大型地空望远镜的时空分辨率都达不到这类尺度的观测要求,因此磁重联加热机制尚处于理论阶段,尚待观测证实。而磁流体波的空间尺度大、时间尺度长,现有的望远镜可以有效观测。遗憾的是,磁流体波的各类波模,要么所携带能量流低,要么能量释放的频次过少,均无法满足日冕加热的能量要求,所以寻找高频、高能、持续的磁流体波尤为关键。冯学尚与袁丁团队长期围绕该领域的核心科学开展前沿太阳物理学研究。

太阳黑子是太阳表面温度最低的结构,温度约为4000摄氏度,其上方对应的太阳活动区却是太阳日冕温度最高的区域,约为200万-2000万摄氏度,这样由太阳黑子和活动区组成的磁场和高温等离子体耦合结构对太阳等离子体加热的条件更加苛刻,这些特征引起了研究团队的注意。2018年,袁丁赴美国加州大熊湖天文台开展天文观测,在那里找到了破解谜题的“神助攻”——古德太阳望远镜。古德太阳望远镜口径为1.6米,是目前世界上正在运营的最大口径的太阳望远镜,其得天独厚的观测台址和强大的观测仪器设备,为攻克该项极具挑战的研究课题提供了可能。

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太阳的日冕大气:几百万度的高温大气最强辐射处于极紫外波段

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美国大熊湖天文台1.6米古德太阳望远镜是世界上口径最大的现役太阳望远镜

物理学界的未解之谜有了新思路

有了最先进的观测设备——古德太阳望远镜,用了最先进的研究手段——斯托克斯光学手段,课题研究还开展了目前世界上天文物理界最先进的数值模拟——高维度双流体磁流体模拟。最终,团队利用古德太阳望远镜的高时空分辨率观测资料,发现太阳黑子的强磁场中存在周期性横向运动,即横模磁流体波。根据团队的数学建模,太阳黑子的强磁区域(约4000高斯)所需驱动力高出太阳其它区域的2-3个数量级,此类运动所携带的能量流约为7500000瓦每平方米,只要千分之一或者万分之一的能量即可满足太阳日冕加热所需能量流,符合太阳等离子体加热的要求。

作为参照,城市中空气的运动(风)可以吹动树叶,可无法撼动高楼大厦。而太阳黑子强磁区域的横向运动相当于城市中高楼大厦都在横向摆动,此类运动携带了巨大的能量流,只有强烈的地震可以驱动此类运动。据此可以想象,太阳黑子强磁场的横向运动携带着很高的能量。据团队估算,该能量流相当于7500部空调全功率炙烤1平方米的面积。

据了解,该研究最大的突破是首次探测到比日冕加热所需能量流强上万倍的全新能量源,并利用超级计算机模拟重现了该能量源的等离子体加热效应,开创了日冕加热的革新性领域。该研究具备解决日冕加热问题这一百年物理学难题的潜力,有望成为下一代4-8米口径太阳望远镜等大型国际科研设备的重点科学目标。 

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太阳黑子中本影纤维在强磁区域横向震荡,携带巨大的能量流

“人造太阳”科研“进度条”再进一步

该研究探测到比日冕加热所需能量流还要强的全新能量源,这不禁引起了人们的联想——“人造太阳”会否因此更加接近现实?袁丁表示,该成果的确有助于推动“人造太阳”的等离子体加热技术研发。等离子体加热是解释太阳风来源的重要步骤,而太阳风为星际旅行提供了重要的燃料。如果宇宙飞船的“太阳帆”能够捕获太阳风粒子,即氢元素等核聚变所需燃料,实现燃料的自我供给,那么飞船能够探索的范围将覆盖整个太阳系,甚至更远。“当然,无论是‘人造太阳’还是‘星际旅行’,都不太可能在短期内变为现实,但该项研究成果为后续的研究奠定了非常重要的基础。”袁丁表示,该成果将相关科研的“进度条”往前推动了一步。

该项目由冯学尚与袁丁领衔的国际团队共同完成,研究得到了全球专家学者的支持:硕士研究生付立博和Blazej Kuzma博士后(波兰居里夫人大学博士、原鲁汶大学数学系博士后)分别参与了天文数据分析和双流体磁流体数值模拟工作。哈工大(深圳)空间科学与应用技术研究院负责天文实验设计和天文数据分析工作,新泽西理工大学(大熊湖天文台)承担古德太阳望远镜的天文观测和数据校准工作。西班牙加纳利天文物理研究所承担斯托克斯光学反演和建模工作。波兰居里夫人大学物理学院负责双流体磁流体数值模拟工作。比利时鲁汶大学数学系负责数学建模工作。印度理工学院团队参与了天文实验设计和论文写作相关工作。昆明理工大学信息工程与自动化学院、深圳信息职业技术学院、国家天文台参与了天文数据分析等相关工作。

袁丁同时透露,该团队将会继续聚焦日冕加热领域的科研。下一步,团队研究的焦点是太阳黑子的全新能量源是否普遍存在,将面向日冕加热的关键科学问题,结合世界4-8米口径大型太阳望远镜的科学目标,利用超级计算机开展高维度数值模拟,将该成果推广至其他强磁区域。再往前的目标则是将该理论应用到恒星黑子,利用先进的数学建模和天文设备探索恒星黑子的等离子体加热机制。(编辑 谢梁晖 审核 张惠屏)