科学家们终于找到了驱动太阳最猛烈喷发的秘密引擎

2017年9月10日，X8.2级太阳耀斑在太阳边缘闪现。这张图像由NASA太阳动力学天文台拍摄，展示了171和304埃波长的光线混合。图片来源：NASA/GSFC/SDO

（神秘的地球uux.cn）据今日科学新闻：在2017年末的一个典型下午，太阳做了数十亿年来一直以来所做的事：释放出一股巨大的磁场能量，远远超过地球上任何核武库的威力。这次事件是X8.2级耀斑，是一次巨大的喷发，在太阳系掀起了涟漪。几十年来，科学家们一直知道这些暴力的发脾气不仅会产生热量和光;它们还发射强烈的伽马射线，这是宇宙中能量最强的光形式。然而，尽管我们拥有先进的望远镜，这些射线的确切来源——以及驱动它们的神秘“引擎”——始终隐藏在太阳等离子体的面纱之下。

这个谜团对太阳物理学家来说一直存在。我们能看到信号，但找不到信号源。由于不知道这些光线来自何处或它们如何诞生，我们对太阳最剧烈行为的理解是不完整的。我们基本上是在听一场交响乐，却看不到乐团。然而，来自新泽西理工学院太阳-地球研究中心（NJIT-CSTR）的一组研究人员最近宣布，他们终于确定了罪魁祸首：潜伏在太阳高层大气中的一类此前未知的高能粒子。

为了解开如此庞大的谜题，研究人员需要通过两种截然不同的视角观察太阳。他们转向了美国宇航局（NASA）的费米伽马射线空间望远镜，该望远镜环绕地球运行，捕捉宇宙中无形的高能闪烁，以及加利福尼亚的扩展欧文斯谷太阳能阵列（EOVSA）。费米充当宇宙之耳，记录伽马射线的强度，而EOVSA则充当“眼睛”。作为一台最先进的射电望远镜阵列，EOVSA提供了空间分辨的微波成像技术，使科学家能够精确观察加速粒子在太阳发光日冕中跳舞的位置。

当团队将2017年9月10日闪光的这两组数据叠加时，一个特定地点开始显现出重要性。此前的研究主要集中在两个特定活动领域，研究人员则确定了第三个独立区域。他们将其标记为兴趣区域3（ROI 3）。正是在这里，在太阳大气的这个特定区域，微波和伽马射线信号汇聚了。这就是铁证。它表明，一群独特的粒子被激发到极端水平，远超太阳喷发的“典型”水平。

在这个局部区域内，涉及的能量尺度难以理解。研究人员测量到数万亿个粒子被加速到数百万电子伏特（MeV）的能量。换个角度看，这些粒子的能量是典型太阳耀斑中常见粒子的数百到数千倍。它们以接近光速的速度在太阳大气层中尖叫。

使这一发现真正不同寻常的是这个粒子群体的“形状”。在标准的太阳耀斑中，你通常会看到大量低能电子，只有少数高能电子。随着能量的增加，粒子数量通常会减少。但在《投资回报3》中，研究人员发现了相反的情况。这是一个MeV峰值的粒子群，意味着大多数粒子具有高能，低能电子相对较少。仿佛人群几乎全是世界级短跑选手，周围没有任何休闲慢跑者。

这些超快粒子实际上是如何产生光的？团队利用先进建模将这些粒子的能量与望远镜记录的特定伽马射线谱联系起来。答案在于一个叫做制动辐射的过程。当轻质带电粒子如电子在太空中飞行时，突然与太阳大气中的高密度物质——太阳等离子体——碰撞时，就会发生这种情况。当这些粒子被碰撞偏转或减速时，它们释放出多余的能量，形成高能光。

《ROI 3》中这一过程的发现为太阳如何将内部张力转化为外部暴力提供了蓝图。该区域靠近磁场衰减显著的区域，太阳扭曲的磁线在此断裂并重新组织。团队认为，当太阳释放储存的磁能时，它就像宇宙弹弓一样，高效地将带电粒子加速到极端的MeV水平。这些粒子随后进化成专门的群体，产生了我们几十年来观察到的令人困惑的伽马射线信号。

尽管有这一突破，太阳仍保留着若干秘密。目前最引人注目的问题之一是这些高能演员的真实身份。虽然它们确实是带电粒子，但科学家们尚不确定它们是电子还是它们的反物质对应物——正电子。为了解决这个问题，研究人员需要观察太阳微波发射的“扭曲”或偏振现象。如果他们能测量到这种偏振，就能分辨出两者的区别。

回答这个问题的工具已经在构建中。扩展后的欧文斯谷太阳能阵列目前正在进行重大升级，升级为EOVSA-15。该项目将新增15个天线和先进的超宽带馈源，使科学家们能够更清晰地了解太阳的磁机制。通过精炼我们观察这些看不见粒子作用的能力，我们更接近理解恒星的基本物理。

理解这些伽马射线的起源不仅仅是学术上的胜利;这是保护我们现代世界的重要一步。太阳耀斑及其产生的高能粒子是推动太空天气的主要驱动力。当这些喷发朝向地球时，可能会干扰卫星通信，扰乱电网，并对轨道宇航员构成风险。

通过确定ROI3和特定的制动辐射机制，科学家们现在可以填补太阳喷发物理学中的关键空白。这些信息使得创建更精确的太阳活动模型成为可能。随着我们迈向对太空技术日益依赖的未来，改进太空天气预报的能力变得至关重要。我们解决的每一块拼图——比如太阳伽马射线之谜——都帮助我们更好地预测太阳下一次释放猛烈能量的时间，让我们有机会在风暴来临前做好准备。

更多信息：Gregory D. Fleishman 等人，太阳耀斑日冕源中的兆电子伏特峰值电子，《自然天文学》（2026年）。DOI：10.1038/s41550-025-02754-w