现代天文学-现代天文学研究机构-现代天文学十五讲
所有恒星都具有自转这一内禀属性。恒星的自转速度以及其自转规律，对于恒星的形成、结构与演化，还有恒星大气与行星际空间的相互作用，都有着极为重要的影响。所以，对恒星自转规律进行探测，是现代天文学观测的基本目的之一。恒星是一个由巨大的等离子体（电离的气体）构成的球体。它的自转并非是刚性的，其不同部分的自转存在差异，这种现象被称为较差自转。然而，对于普通的恒星来说，因为距离地球极为遥远，所以科学家仅仅能够通过其光变曲线来推测它整体的自转状况，而无法知晓自转速度的分布细节。太阳是唯一一颗能够实现高空间分辨率观测的恒星，它是研究恒星自转的重要样本。太阳的结构与大多数恒星相似，从里到外依次可以分为核心区、辐射区、对流区以及大气层。科学家经过几十年的探测，确立了有关太阳自转的两个重要规律。其一，在从辐射区到对流区的过渡区域（约 0.7 个太阳半径处），自转速度有明显变化，这种剪切运动能产生磁场，也就是太阳发电机。其二，自转速度从赤道向两极区域逐渐减少，这种变化会使太阳磁场从极向场转换为环向场。太阳活动具有 11 年的周期性变化。这种周期性变化，从本质上来说，是太阳发电机与较差自转相互作用所产生的结果。
然而，太阳表面的大气层，其自转速度的变化规律是怎样的呢？尤其是随高度的变化情况，到现在还没有确切的结论。太阳大气层是探测器能够直接观测到的层次，并且它还是太阳活动和太阳风的源区，对於日地空间和地球环境起着决定性的作用。最近，南京大学的“羲和号”卫星团队利用其观测数据针对该问题进行了探索。这些观测数据具有多谱线、全日面、高精度的特点。团队对该问题做了深入的探索，也做了细致的探索，最终得到了比较确切的答案。
太阳大气从光球层底部到色球层不同高度的地方有多普勒速度图。 光球层底部到色球层不同高度处的太阳大气有多普勒速度图。 太阳大气在光球层底部到色球层不同高度处存在多普勒速度图。 从光球层底部到色球层不同高度的太阳大气呈现出多普勒速度图。 太阳大气于光球层底部到色球层不同高度处具备多普勒速度图。 光球层底部到色球层不同高度的太阳大气拥有多普勒速度图。 太阳大气从光球层底部到色球层不同高度的位置有多普勒速度图。 光球层底部到色球层不同高度的太阳大气显示出多普勒速度图。 太阳大气在光球层底部到色球层不同高度的区域有多普勒速度图。 从光球层底部到色球层不同高度的太阳大气存有多普勒速度图。 太阳大气于光球层底部到色球层不同高度的地方具备多普勒速度图。 光球层底部到色球层不同高度的太阳大气含有多普勒速度图。
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这些谱线形成在太阳大气从较低的光球层底部至较高的色球高层的不同层次。利用高精度观测这些谱线，接着运用谱线形成的反演方法，能够精确地推导出太阳大气不同层次的多普勒速度场。这就如同“羲和号”对整个太阳大气进行了一次全面的扫描，从而得到了国际上首个太阳大气多层次的多普勒速度图。基于此，不仅可以检验自转速度随不同纬度的变化情况，还能够寻找其随高度的变化规律。图 1 的结果表明，太阳自转速度自赤道向极区逐渐降低的规律在太阳大气的各个层次都存在。进一步精确分析后发现，太阳大气的自转速度随着高度有明显增加的趋势，这从图 2 可以看出。这与直观的认识相矛盾，因为倘若高层大气的转动是由低层大气的粘滞效应带动的，那么自转速度理应随高度逐渐降低。
图2. 太阳大气自转速度随高度和纬度的分布
进一步的研究表明，这种反常的自转现象是由小尺度磁场结构以及其与太阳大气的“磁冻结”效应所导致的。并且，这些小尺度磁场与大尺度磁场不同，它们形成于近表面的速度剪切层，这个速度剪切层位于 0.95 至 1 个太阳半径处，此层次相较于太阳大气有着较快的自转速度。光球层电离度低且密度高，这导致“磁冻结”效应不明显，所以这些小尺度磁场对太阳大气的拖曳能力不好；色球层及更高层的太阳大气，其电离度较高，使得“磁冻结”效应显著增强，磁场能更高效地拖拽太阳大气，使得这些层次的自转速度比光球层明显快。图 3 展示了色球速度场与磁场的空间分布对比。可以看出二者有着很好的相关性，这验证了小尺度磁场与色球大气之间存在着强冻结效应。
图3. 太阳色球多普勒速度场与视向磁场分布的对应关系
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该项科学发现对于理解太阳发电机、太阳大气加热以及太阳自转的长期变化提供了重要的观测证据。小尺度磁场或许产生于对流区较浅的层次，而大尺度磁场（像太阳黑子）是产生于对流区底部的，二者不同。所以，一个完整的发电机模型必须涵盖足够大的深度范围，这样才能全面地解释不同尺度的磁场分布。不同高度的磁冻结效应程度不同，这表明离子与中性粒子的相互作用也不一样。太阳大气的加热模型必须要考虑到这个因素。太阳高层大气的自转速度较快，这意味着太阳风损失的角动量不可忽视，它对太阳自转起到了“制动”的作用，所以随着年龄的增长，太阳自转会逐渐变慢。
相关成果近日在国际著名期刊《 》上以“- of the solar by CHASE”为题在线发表。南京大学的博士研究生饶世豪是论文的第一作者，李川教授和丁明德教授是论文的通讯作者，方成院士对论文进行了重要指导。南京大学“羲和号”团队参与了本工作，中科院云南天文台参与了本工作，上海航天技术研究院相关科研人员参与了本工作。本工作得到了国家自然科学基金重点项目（具体项目编号未给出）的支持，本工作得到了国家航天局民用航天技术预先研究项目（具体项目编号未给出）的支持。论文链接：（未给出具体链接）
“羲和号”卫星在 2021 年 10 月 14 日发射升空。目前它在轨稳定运行着。它在密切监视着太阳大气和太阳活动。关于详细信息，可在南京大学太阳科学数据中心（）查看。“羲和号”的观测数据质量很高，引起了广泛关注。国内外多家科研机构利用“羲和号”数据开展研究，并且产生了一批重要的科学成果。国际著名天文学期刊《The 》专门设立热点专辑，对“羲和号”的首批科学成果进行报道。这意味着中国的天文观测设备首次以专辑形式在 ApJ 系列刊物上发表了研究成果。
“羲和号”卫星示意图
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