这张太阳磁场的照片是由美国宇航局的太阳动力学观测站拍摄的

太阳有一个强大的磁场，在恒星表面产生太阳黑子，并释放太阳风暴，比如本月让地球大部分地区沐浴在美丽极光中的太阳风暴。

但是，太阳内部磁场究竟是如何产生的，这是一个困扰了天文学家几个世纪的谜题，可以追溯到意大利天文学家伽利略的时代。伽利略在17世纪初首次观察到太阳黑子，并注意到它们是如何随时间变化的。

一项跨学科研究的研究人员在周三发表在《自然》杂志上的一篇报告中提出了一个新理论。之前的研究假设太阳磁场起源于天体的深处，与此相反，他们怀疑太阳磁场的来源更接近太阳表面。

该团队开发的模型可以帮助科学家更好地了解11年的太阳周期，并改善对太空天气的预测，太空天气可能会干扰GPS和通信卫星，也会让夜空观测者因极光而眼花缭乱。

西北大学麦考密克工程学院工程科学和应用数学助理教授、天体物理学跨学科探索和研究中心成员丹尼尔·勒科阿内说:“这项工作提出了一个新的假设，即太阳磁场是如何产生的，它与太阳观测结果更吻合，我们希望可以用来更好地预测太阳活动。”

“我们想要预测下一个太阳活动周期是否会特别强烈，或者可能比正常情况弱。以前的模型(假设太阳磁场是在太阳深处产生的)无法做出准确的预测或(确定)下一个太阳周期是强还是弱，”他补充说。

太阳黑子帮助科学家追踪太阳的活动。它们是向太空释放光、太阳物质和能量的爆炸性耀斑和抛射事件的原点。最近的太阳风暴是太阳接近“太阳活动极大期”的证据——太阳活动极大期是11年周期中太阳黑子数量最多的时候。

“因为我们认为太阳黑子的数量与太阳内部磁场的强度有关，我们认为11年的太阳黑子周期反映了太阳内部磁场强度的周期，”Lecoanet说。

模拟太阳磁场

很难看到太阳的磁力线，这些磁力线穿过太阳大气层，形成了一个复杂的磁结构网，比地球磁场要复杂得多。为了更好地掌握太阳磁场的工作原理，科学家们求助于数学模型。

在科学上，Lecoanet和他的同事们开发的模型解释了一种叫做扭转振荡的现象——太阳内部和周围由磁场驱动的气体和等离子体流动，有助于太阳黑子的形成。

在某些区域，这个太阳特征的旋转加速或减慢，而在其他区域则保持稳定。就像11年的太阳磁周期一样，扭转振荡也经历了11年的周期。

“对太阳的观测让我们对太阳内部物质的运动有了一个很好的了解。对于我们的超级计算机计算，我们解出方程来确定由于观测到的运动，太阳内部的磁场是如何变化的，”Lecoanet说。

“之前没有人做过这样的计算，因为没有人知道如何有效地进行计算，”他补充说。

该小组的计算表明，磁场可以在太阳表面以下大约2万英里(32,100公里)处产生——比之前假设的要近得多。其他模型表明它的深度要深得多——大约13万英里(209,200公里)。

“我们的新假设为以前的模型所缺失的扭转振荡提供了一个自然的解释，”Lecoanet说。

“天体物理谜”

一个重要的突破是开发新的数值算法来运行计算，Lecoanet说。这篇论文的第一作者、英国爱丁堡大学教授杰夫·瓦西尔(Geoff Vasil)大约在20年前就提出了这个想法，勒科阿内特说，但开发算法花了10多年时间，还需要一台功能强大的NASA超级计算机来进行模拟。

他说:“我们在这次调查中使用了大约1500万cpu小时。”“这意味着，如果我试图在我的笔记本电脑上进行计算，我将需要大约450年的时间。”

威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)天文学和物理学教授艾伦·茨维贝尔(Ellen Zweibel)在与该研究同时发表的评论中说，初步结果很有趣，将有助于为未来的模型和研究提供信息。她没有参与这项研究。

茨维贝尔说，该团队在“理论混合物中添加了一个具有挑衅性的成分，这可能是解开这个天体物理学谜团的关键。”