2024年5月，一部有關阿勒泰的電視劇登頂全網收視榜，劇中阿勒泰的美渾然天成，鏡頭之下，山川、叢林、天空、曠野，無不獨具性靈。作為新疆美景的其中一張「明信片」，阿勒泰的星空也獨具魅力，接連上演的「極光」盛宴美不勝收。
美麗的星空「烈焰」——極光
極光是地面上能用肉眼看到的、由太陽風等離子體與地球磁層相互作用產生的一種自然現象。
極光的出現與太陽耀斑有一定關系，耀斑是太陽大氣局部區域突然增亮的活動現象，太陽本身是一個巨大的「磁球」，耀斑往往出現在磁場結構復雜的活動區，在耀斑活動區，隨著活動區磁能的不斷積累，磁力線會發生「扭曲」，這些扭曲的磁力線像擰緊的橡皮筋一樣，一旦扭曲的磁力線由於重聯發生截斷將會在短時間內釋放出大量的能量。此時在日冕大氣的等離子體會被迅速加熱和加速，伴隨有各種波段的增強的電磁輻射和粒子發射，這種強烈的爆發現象，即耀斑。
耀斑爆發過程中常伴有大量的日冕的等離子體被拋入日地空間，稱為「日冕物質拋射」。太陽不斷地從它的表面向周圍的空間噴射物質，在太陽活動周期的高峰期，每天可能會發生2-3次日冕物質拋射(CME)，這些等離子體物質以每秒幾百至上千公裏的速度執行，面向地球的等離子體將會引發地球磁場大小和方向的擾動，從而產生「地磁暴」以及其他極端空間天氣事件，極光是地磁暴視覺化的表現。
磁暴期間，等離子體與磁層相互作用後註入極區的粒子會大振幅增加，註入地球磁場的緯度範圍也會擴大，使得處於地球中高緯度的新疆等地能夠看見極光。
中國科學院新疆天文台是西北地區唯一的綜合性天文台，因極光廣泛收到社會關註，近期新疆天文台太陽團組成員也秉持著科學家的責任，非常願意與大眾分享相關的科普知識。其實，太陽活動是具有大約11年的周期。太陽活動最活躍的時期稱為「極大期」，最不活躍的時期稱為「極小期」。在極大期，太陽黑子的數量增加，耀斑的發生頻率也會增加，相反，在極小期，黑子數量和耀斑發生頻率都會減少。
2013-2014年是太陽活動的極大期，預計太陽活動將在2024-2025年迎來第25個極大期，2024年正處極大期的上升階段，太陽耀斑爆發非常頻繁，下圖是2024年5月產生的幾十個極端耀斑事件，引發了地磁暴，並在新疆、北京等地形成了絢麗多彩的極光。耀斑爆發的能階從小到大分成A、B、C、M、X五個等級，等級依次增強。
大部份太陽耀斑的壽命僅在幾分鐘到幾十分鐘之間，並在短時間內會伴隨大量能量釋放，如XX1級耀斑瞬間釋放的能量相當於地球上相同接收面積1000多年時間接收到的能量總和。
知己知彼 防患未然
地磁暴會在全球各地引發通訊障礙、停電和衛星失效等問題，其中最著名的要數卡林頓事件。1859年9月1日早晨，英國天文愛好者卡林頓在觀測太陽黑子時，發現太陽北側的一個大黑子群內突然出現了兩道極其明亮的白光，在一大群黑子附近正在形成一對明亮的月牙形東西。後經確認，卡林頓看到的這一現象是太陽耀斑爆發的過程，這一事件被稱為卡林頓事件。
在耀斑爆發十七個半小時以後，地磁儀的指標因超強的地磁強度而跳出了刻度範圍，幾乎同一時間，各地電報局電報機的操作員報告說他們的機器在閃火花，甚至電線也被熔化了，且在這天夜裏，天空中五顏六色的北極光一直向南彌漫至古巴和夏威夷等地。
卡林頓事件是一次超強太陽活動爆發事件。類似的超強事件在歷史上曾出現過多次，例如1989年3月的那次太陽風暴曾經造成加拿大魁北克省整個配電網故障，而2003年10月30日特大的太陽風暴曾使兩顆衛星失靈，造成全世界通訊和電網中斷。
基於此，科學家們認為太陽活動爆發的研究一方面是太陽物理基礎研究的核心問題，是研究其他恒星和等離子體物理的天然實驗室，為未來探究日冕加熱問題等提供幫助；另一方面是可以預報太陽活動，為災害性空間天氣提供有效的提前預警。
太陽研究我們有話要說
自20世紀80年代，中國科學院新疆天文台便在南山觀測站建成了太陽色球、光球雙筒望遠鏡和太陽射電望遠鏡等器材，主要開展太陽耀斑爆發的物理機制研究並提供太陽活動的預報。
經多年發展，新疆天文台太陽物理研究團組於2018年正式成立，團組成立後聚焦新疆天文台科研中心工作，以搶占科技制高點為目標，取得了一系列研究成果：
一是在太陽活動爆發磁能釋放過程中研究了耀斑環和日冕磁環的動力學演化(Shen ApJ,2014)，首次揭示了耀斑早期磁流繩形成的過程(Shen,ApJ,2017），首次報道了耀斑早期磁流繩電流的註入驅動了耀斑的爆發(Shen,RAA,2022,2023)，運用高分辨率的觀測，報道浮現活動區米粒浮現過程的偶極場分離運動和拱形暗條系的形成，揭示了小尺度磁流浮現的起源(Shen,ApJ,2022)，在日冕加熱問題的研究中直接觀測到太陽光球磁聲波振蕩導致的日冕加熱(Hashim，RAA,2021，ApJ 2024)。
二是在太陽射電爆發及輻射機制研究方面，提出了射電V型和運動IV型爆發可能的輻射模型(Tang,ApJ,2016,2020)，太陽射電精細結構的研究(Tang,RAA,2021,Wan A&A,2021)。
三是在激波粒子加速方面，模擬研究雙激波追趕效應，模擬研究CME激波與地球弓激波「迎面」碰撞，發現了合並的粒子能譜出現「折斷」特征(Wang,ApJ,2017)，發現了粒子註入率與加速效率成正相關關系(Wang,ApJ,2019)。
作為「十四五」重點培育方向，新疆天文台太陽物理「太陽活動爆發與空間天氣研究」透過揭示不同尺度太陽活動爆發的動力學演化、耀斑磁能積累和釋放、日冕加熱等做出系列研究工作。我們的研究成果一方面可以解決太陽物理基礎研究的核心問題，另一方面能夠準確預報太陽活動的爆發，為災害性空間天氣提供可靠的預警資訊。
雖比高飛雁，猶未及青雲。新疆天文台太陽物理研究團組處在黃金時代，在不久的將來，一是要爭取在低頻段建設超高時間和頻譜分辨率的射電望遠鏡，或對現有觀測器材進行必要的升級改造，以滿足更高水平的太陽觀測；二是爭取更多的小型太陽望遠鏡能夠落實落地，支撐中國太陽物理實測研究的快速發展；三是利用國際國內大口徑望遠鏡，對不同尺度太陽爆發活動的物理機制開展研究，為空間天氣預報做到及時預警。
未來的路需要交給時間去驗證，新疆天文台太陽物理團組成員將緊抓當下、布局未來，用無悔的青春鋪就通往美好明天的科學之路。
出品：科普中國
作者：雲朝昂、沈金花（中國科學院新疆天文台）
監制：中國科普博覽
