大家好，我叫周煦之，來自北京大學空間物理與應用技術研究所。今天我在上課的時候回答了一個科學問題，然后慘遭打臉。所以現在特別心有不甘，但又覺得這個問題其實挺有價值的，所以想在這里通過這個視頻，復盤一下。

這個問題很簡短：太陽上有極光嗎？極光這個概念我挺熟，所以我侃侃而談。我說，我們先從地球上的極光說起。當太空中的高能帶電粒子沿著磁力線進入地球極區大氣層的時候，大氣層中的中性粒子，主要是氧和氮的原子或者分子，就會被轟擊到一個比較高的能態。然后當它們從這些高的能態躍遷回基態的時候呢，就會放出特定波長的光子，這也就對應于地球極光中幾條特定的譜線，或者通俗的說，幾種不同的顏色，最強的就是綠色和紅色（附圖1）。

圖1：地球極光的顏色

當然其它行星也可以有極光。比如木星。木星大氣層的主要成分是氫，所以在木星極光中，最強的就是氫的一些特征譜線，比如說紫外波段的Lyman-alpha線。但太陽呢？太陽上發生的事情其實是反過來的——太陽光譜中有一些暗線（附圖2）。這種光譜叫做吸收光譜，它的產生是因為太陽光本身很強，那么這些光子在通過太陽高層大氣的時候呢，如果頻率跟特定元素的譜線對上的話，就會被吸收，形成暗線。這個能叫極光嗎？我覺得不能。

圖2：太陽吸收光譜

沒想到這位同學是有備而來的。他給我展示了一篇報道，題目是《科學家首次在太陽表面發現類似于地球極光現象》，援引了2023年11月發表在Nature Astronomy，也就是天文領域的頂級期刊《自然·天文學》上的一篇論文，說在太陽黑子附近發現了極光，頻率還比地球極光強數千倍。我瞬間就懵圈了。地球極光的頻率大致在可見光范圍內，如果頻率要比地球極光高幾千倍的話，那應該屬于X射線。難道這篇文章講的是太陽軟X射線爆發嗎？當然，太陽耀斑確實會發出軟X射線，不過這個算不上什么新的發現，而且按說也不能叫做極光吧。所以我只能很坦白的跟那位同學說，我不知道，容我回家翻翻這篇論文。

回家我才發現，這篇論文講的實際上是射電輻射。射電波是波長很長的一種電磁波。我們通常提到的可見光，波長大概是幾百納米的樣子，比如說極光中的紅光，波長就是630納米。但射電波的波長有多長呢？舉個例子，我們有時會觀測到一種射電輻射，叫地球極光千米波。顧名思義，波長大概就在千米的量級，比可見光長了幾十億倍。說到極光千米波，我想給大家展示一張很著名的觀測圖片，來自明星科學家卡爾·薩根。大家知道，卡爾·薩根一直對外星生命有濃厚的興趣。所以有一次，他想，也許我們可以從外星人的視角來觀測地球？因為人類每天都在使用各種電磁波，他就想看看，如果讓太空中的衛星來觀測地球，能看到哪些電磁波，這樣我們去搜尋外星人，也就有了參考（附圖3）。他利用了一顆叫做伽利略號的衛星，確實也觀測到了來自人類活動的電磁波，圖中左上角的這些橫條就是。不過除此之外呢，我們還可以看到很多不同的電磁波，比如左下角有一些零散的波動，圖中標注為AKR。這個AKR代表Auroral Kilometric Radiation，也就是極光千米波。

圖3：衛星對地球電磁波的觀測，摘自Sagan et al., Nature, 1993

從這張圖中看起來，極光千米波好像不是很顯眼，但實際上，它們一經發現，馬上就引起了科學家們的強烈關注。因為它有好幾條很特別的性質。首先是這種波動非常強，強到什么程度呢？如果把觀測到的射電輻射視為黑體輻射，拿普朗克公式去擬合的話，對應的等效溫度大概是10的14次方這樣的量級。這個溫度太離譜了，所以顯然它們不是來源于熱輻射。另一條性質更有意思。大家知道，如果把一個電子放到磁場中，它會環繞著磁場運動，這種運動的頻率叫做電子回旋頻率。人們發現，在地球極區磁場中的電子回旋頻率就跟極光千米波的頻率非常接近。還有，極光千米波，波如其名，激發的區域位于地球的高緯極光區，而且傳播方向基本上是垂直于磁場方向的。所以可以想象，這種波動的激發應該跟極區高空中電子環繞磁場的回旋運動有關，但具體激發過程是怎么樣的，其實到現在還有一些爭論。

目前主流的看法是，這種波動是由一種叫做電子回旋脈澤不穩定性的過程激發的。這種不穩定性聽起來就很復雜，當然確實也挺復雜的，但我們可以給一個簡化的版本。想象現在有一個很弱的電磁波動，它的偏振方向和頻率都跟某個電子的回旋方向和頻率一致。那么從這個電子的觀測視角來看，這個波動的電場始終和自己有一個固定的相位差。所以這個電子可以持續的被加速或者減速，或者說，這種波和電子之間的共振導致了強烈的能量交換。當然，太空中的電子很多，有些電子會把能量給波，有些則是波把能量給電子。如果前者更多的話，那么這個電磁波就會越來越強，直到可以作為極光千米波被觀測到。

不過這里有一個問題。如果太空中的電子速度分布滿足玻爾茲曼分布，而且朝每個方向運動的電子數量一樣多的話，那么可以把能量交給電磁波的電子數量是要少于從電磁波中獲得能量的電子數量的。所以在這種情況下，極光千米波不會出現。但宇宙就是這么神奇。在地球的高緯區域上空，朝不同方向運動的電子數量是不一樣多的。這個原因和極光直接相關。我們剛才提到了，地球極光主要是太空中的電子沿磁力線抵達極區大氣層而產生的。那么如果考慮一個在太空中的電子，它的運動方向跟磁力線有一個比較大的夾角，那它會怎么運動呢？它會在特定的高度被強磁場反彈回來（附圖4）。也就是說，只有那些轟擊到地球大氣層的電子不會被反彈。所以在地球極區的上空來看的話，就會發現電子可能會朝著任何一個方向運動，除了一個方向——也就是逆著磁力線的方向，幾乎沒有電子會沿這個方向運動。這種各向異性的電子速度分布就會導致電子回旋脈澤不穩定性，從而產生極光千米波。這也是為什么明明這種射電輻射的波長比平時說的極光長了幾十億倍，我們還會拿極光給它來命名的原因。

圖4：地球磁場中的電子運動示例

類似的射電輻射也可以在其它行星，比如木星和土星上看到。當然，它們的頻率和地球上的極光千米波會有一些不同。原因很簡單，剛才也提到了，極光千米波的頻率很接近于電子的回旋頻率，而電子回旋頻率又由當地磁場決定。因為木星的磁場比地球強的多，所以相應的射電輻射頻率也比地球更高。實際上，人類歷史上第一次測量木星磁場就是通過這種方法，利用木星射電輻射的頻率去反演獲得。甚至在一些低質量的恒星上，人們也觀測到了類似的射電輻射，一般認為，這種射電輻射也是來源于同樣的。

最后我們再回到太陽。這篇發表于《自然·天文學》上的論文的新穎之處在于，他們在太陽上觀測到了類似的射電輻射，它們持續的時間比平時看到的太陽射電暴長很多，而且發生的位置在太陽黑子上空。這個過程可以用作者的一個示意圖來表示（附圖5）。圖中下方的兩個黑色區域代表兩個太陽黑子。太陽黑子處的磁場很強。從圖中也可以看出來，連接這兩個黑子的磁力線呈弧線型，而且磁力線兩端的磁場更強，中心磁場更弱。這個形態也有些類似于連接地球南北極的磁力線形態。所以作者做了一個類比，認為在太陽黑子的上方，也會有更多的電子垂直于磁力線而不是平行于磁力線運動，從而導致了電子回旋脈澤不穩定性的發生，從而激發射電輻射。因為黑子上方的磁場強度比地球極區強得多，所以對應的輻射頻率也要比地球的極光千米波高幾千倍。

圖5：太陽“極光”射電輻射示意圖

我覺得，這是一個蠻有意思的發現，尤其是他們提出了一種新的可能性。過去人們觀測到一些低質量恒星發出的射電信號的時候，一般都認為，這些射電波動來源于恒星全球性的磁場。但現在我們知道還有另一種解釋。或許這些恒星上也存在著黑子，黑子之間的小尺度的磁場形態也同樣可以激發射電輻射？這種猜想就有待進一步的研究來檢驗了。

最后話又說回來了。這種太陽上的射電輻射可以叫做極光嗎？也許可以，不過，這種射電波段的所謂極光和平常我們說的極光雖然有一些因果關聯，但畢竟還是非常不一樣的。或許我們在做科普的時候應該更謹慎一點，不要簡單的把二者混為一談？這也是我做這個視頻的初衷，和大家共勉，也希望大家能有所收獲。謝謝！

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：周煦之 北京大學地球與空間科學學院研究員

審核：孫志斌 中國科學院國家空間科學中心研究員

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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