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第13章 磁泡,骚乱和麻烦

我曾在前面提到,恒星可以定义为一种内核发生着热核反应,通过自身引力来平衡向外扩展趋势的物体。

以这种方式达到平衡的恒星是很值得研究的。如果引力弱一点,它们就会扩张甚至爆炸;如果内核中的热核反应产生的能量弱一点,就会出现引力坍缩(天体物理学上恒星或星际物质在自身物质的引力作用下向内塌陷的过程,后面的章节会详细阐述)。它们的旋转速度、化学成分、万有引力、温度、压力,还有磁场,所有这些在恒星中达成一种微妙的平衡。

但有时也会出问题。

在描述磁场的图形中,磁力线从一极出发连接到另外一极。例如,条形磁铁的磁力线,看起来有点像一个炸面圈。这些磁力线在表示磁性强弱时非常有用。磁力线非常密集的区域(如一个条形磁铁的磁极附近),磁场较强;间隙较大的区域,磁场较弱。如果把一个较小的条形磁铁放到一个较大的磁铁的磁场中,小磁铁的方向会朝向磁力线的方向。这就是指南针的原理;它的指针就是一个小磁铁,它的方向就是地球磁场的方向。

如果磁铁的形状是不规则的,情况就复杂多了。假如把条形磁铁弄弯,磁力线也会弯曲。如果把一打甚至上百个磁铁放在一起,磁力线会扭曲得更厉害;它们相互干扰、相互影响,而每一单元的磁力线又偏向于产生它的磁铁。

太阳的磁场是由运动的气流产生的——这种气流曲折蜿蜒,就像是地球上的河流。磁力线产生于太阳表层以下,但它们不会老老实实地待在那儿;它们穿破表层,错综复杂地相互交织、相互连接、上下环绕。这些磁力线很容易被“激怒”,变得更加纠缠不清。一旦这种情况发生,太阳表面会出现显著的变化。

由于磁力线与气流是纠缠在一起的,当磁力线发生扭曲,气流的运动也会受到一定影响。它们像是被罩上了一张巨大的网,无法自由移动。在磁力线特别密集的区域,从下向上涌动的高温气流不能到达表层,开始冷却。我们知道,太阳的亮度取决于它的温度,温度低的区域相应地就更暗,所谓的“太阳黑子”就此形成。太阳黑子是彻头彻尾的磁现象(它们其实是横贯太阳表面的磁力线的交叉区域),它们通常成双成对地出现,且极性相反:一个扮演磁北极,另一个是磁南极。

塞缪尔·海因里希·施瓦贝

乔治·埃勒里·海尔

施瓦贝于1859年发表了他的研究成果。后来人们很快就发现,太阳黑子峰值出现的时间与地球磁场最活跃的时间相符。也就是说太阳黑子与磁场有关。198年,天文学家乔治·埃勒里·海尔(George Ellery Hale)发现,引发太阳黑子的磁场要比地球上的磁场强数千倍,其中蕴藏着相当强的能量源。

这是一个典型的太阳黑子。由于材料温度较低,它看起来比周围的太阳表面要暗一些。这个特别的点比地球要大得多。黑子周围的颗粒是由对流作用产生的,高温物质流在上升过程中遇冷下沉回到太阳里。

当磁力线纠缠在一起时,一场与平衡相关的冲突就发生在蕴藏的磁能产生的压力与磁力线中存在的张力之间。磁力线就像是钢圈发条,全部缠在一起。发条被压得很紧,有扩展的冲动,不过由于缠绕得太紧动弹不得。现在,反复地持续增压,增加发条数,由此积攒的能量是相当惊人的。

如果突然剪断其中一根发条,会发生什么情况?

没错。最好往后退,离它们远点。

同样的事情发生在太阳黑子身上——实际上,黑子的很多物理特征都与一个卷曲的发条十分相像,都有类似的张力和压力。当磁力线更多地纠缠,压力会增加。有时,这种压力能在过程的起始阶段被释放,不会产生什么麻烦。但有时它会不断累积……

温度极高的物质圈从太阳表面溢出,伴随着磁力线。当这些圈发生纠结或缠绕,一个耀斑或者日冕物质抛射就会被激发。

危险在酝酿。

最终,事情还是发生了。磁力线以高高的、优美的弧线在太阳表面出现,它一头连着磁北极,另一头连着磁南极。如果气流的方向是呈“Z”字形弯弯曲曲的,磁力线的路径可能会重合,或者相互交叉。圈内的压力不断上升,而张力没有相应的增加,磁力线会突然断开。

磁力线内贮藏着大量的能量(像绷紧的发条一样)。一旦断开——太阳物理学家称其为磁重联(magnetic reconnection)——将释放出巨大的能量。爆炸在所难免,但大体上局限在“本地”,引发所谓的“太阳耀斑”。

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