太阳表面，首次看见微小涡旋

在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一个国际研究团队在太阳物理学领域取得了一项突破性发现：他们利用世界上最大的太阳望远镜——丹尼尔·井上建太阳望远镜——拍摄了太阳表面的新图像，并结合高度复杂的计算机模拟，揭示了此前从未被直接观测到的微小等离子体涡旋。

（视频/NASA/SDO/AIA/NSF/NSO/AURA/MPS/HAO）

开尔文-亥姆霍兹不稳定性

开尔文–亥姆霍兹不稳定性是流体动力学中一种广为人知的现象：当两层流体以不同速度彼此相对流动时，就会产生这种不稳定性。两层流体的交界面会出现剪切力，使原本十分微小的扰动逐渐放大，最终形成类似波浪或涡旋的流动结构。

自提出这一理论以来，科学家已经在许多不同环境和尺度下对其进行了观测和研究。例如湖泊表面和海浪、云的形成过程、巨型气态行星木星和土星的大气层，以及太阳风与行星磁层之间的相互作用中，都能够看到开尔文–亥姆霍兹不稳定性的踪迹。

在太阳大气中，开尔文–亥姆霍兹不稳定性也长期以来一直是理论和观测研究的对象。太阳中的磁对流会在光球层产生复杂的等离子体流动。理论研究表明，这些流动可以在磁通集中区周围形成速度剪切层，并由此触发开尔文–亥姆霍兹不稳定性。

然而，此前科学家一直没有在太阳光球层中直接观测到这种不稳定性的存在。原因很可能在于，它所对应的特征空间尺度非常小，对于口径小于2米的望远镜来说，很难达到足够的空间分辨率。

太阳上的微小涡旋

在新的研究中，研究团队利用4米口径的丹尼尔·井上建太阳望远镜，在416纳米波长下，对一个太阳黑子附近的此活动区域进行了观测。在这一波长下，可见太阳表面主要由对流运动形成的米粒（granule）构成。

米粒密集覆盖着太阳的表面，直径大约为500至2000千米。它们共同构成了太阳的米粒组织（granulation），其外观类似沸腾液体表面的一个个气泡。这种米粒组织源自太阳内部的等离子体流动：高温等离子体从太阳内部上升，在表面附近冷却后，再重新下沉到太阳深处。

观测结果显示，磁结构与米粒组织之间的交界面呈现出几乎完全由涡旋状和细小条纹构成的结构。这些结构不断表现出旋转运动，看起来就像海浪破碎时形成的卷曲波浪。其中一些“条纹”的宽度仅略高于20千米。要分辨如此精细的结构，就好比在180千米之外看清一枚硬币。

这是科学家首次成功看清米粒边缘的这些结构，即便对于世界上最大的太阳望远镜以及目前最先进的模拟来说，这也已经接近它们所能达到的极限。

研究人员认为，这些旋转的等离子体流，正是开尔文–亥姆霍兹不稳定性的表现。显然，在太阳米粒的边缘，相邻的等离子体层同样以不同速度流动，从而形成了产生开尔文–亥姆霍兹不稳定性所需的条件。

实际观测图像（左上）与计算机模拟生成的图像（右上）之间表现出惊人的一致性，使科学家能够确认这些结构源自开尔文–亥姆霍兹不稳定性。这种普遍存在的物理现象发生在相邻的流体或气体层以不同速度运动时，并会在两者的交界面形成旋涡状结构。太阳表面磁场的模拟图（右下）进一步证实，这些过程确实能够使磁结构的边界发生弯曲和变形。（图/NSF/NSO/AURA/HAO）

扭绞的磁力线

这些在太阳上发现的这些微小等离子体涡旋，为理解太阳如何在磁场中储存并释放能量提供了一种全新的视角。例如，这些能量可能以被称为纳耀斑的微小辐射爆发形式释放出来。

根据目前的理论，当太阳磁力线不断发生扭绞和盘绕时，磁能就会逐渐积累，这类似于一根被紧紧卷曲的金属弹簧中储存的机械能。由此形成的磁场结构虽然蕴含很高的能量，却也处于不稳定状态。这些储存起来的能量可能突然释放。在这一被称为磁重联的过程中，原本扭绞的磁力线会断开，并以新的连接方式重新连接起来。

然而，此前一直不清楚的是：究竟是什么首先使这些磁力线发生扭绞的？这项新发现可能为这一问题提供部分答案。由于这些涡旋似乎会持续不断地出现，而且只要磁场足够强，它们就可能产生，因此，这些微小涡旋可能正是不断驱动磁力线发生扭绞的力量。

分析还显示，这些微小涡旋能够高效混合太阳表面的磁化等离子体和非磁化等离子体。这可能有助于磁场从太阳表面迅速向太阳大气中扩散和传输。在太阳磁场变化的驱动下，太阳活动以大约11年为一个周期发生变化。从宇宙尺度来看，这种变化速度异常迅速。太阳的磁场“框架”之所以能够如此快速地发生改变，前提是磁通能够通过太阳大气被高效地输运出去。

然而，现有模型还无法解释这种如此迅速的扩散过程。不过，在这一问题上，新发现的这些涡旋同样有助于科学家更好地理解相关机制。

#参考来源：

https://www.mpg.de/26900660/tiny-vortices-discovered-on-the-sun-s-surface

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10871-3

#图片来源：

封面图&首图：NSF/NSO/AURA/MPS