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太阳深处一个隐藏的层次，可能掌握着这颗恒星最重要长期节律的关键。通过分析数十年的太阳振荡数据，研究人员追踪到远在可见表面之下的模式，发现了有关太阳磁场周期组织位置的新证据。

新的观测正帮助科学家深入太阳表面之下，揭示其磁活动可能真正起源的位置。

太阳磁场每约11年发生一次极性反转。在该周期演进过程中，太阳黑子首先出现在中纬度区域，并逐渐向赤道方向迁移，形成类似蝴蝶翅膀形状的分布模式；待其抵达赤道附近后逐渐消失，随后新一轮周期开始。这些较暗、较冷的区域标志着强烈的局部磁场活动，常与太阳爆发事件相关联。

摄影：[Marco Angelo] / Unsplash

天文学家长久以来一直观测这一表面模式，但其深层成因始终未能被揭示，直至如今。

新泽西理工学院的研究人员分析了近30年的太阳振荡数据，以绘制太阳内部活动图。他们的研究结果表明，太阳的磁力引擎很可能位于表面以下约20万公里（12.4万英里）深处，这大约相当于16个地球首尾相连的长度。

摄影：[Egor Komarov] / Unsplash

发表于《自然科学报告》的一项研究，为太阳发电机（即产生太阳磁场的机制）提供了迄今最清晰的观测视角之一。该研究成果有助于阐释影响空间天气的隐性过程，这些过程与太阳活动周期相关，并可能同样适用于银河系中的其他恒星。

直到现在，我们仍未能从太阳内部获取足够信息来确定太阳强磁场的组织位置。黑子是驱动太阳表面空间天气的磁力线在可见区域的脚印，但太阳振荡数据表明，真正产生这些磁场的发动机其实位于更深处。

摄影：[Jr Korpa] / Unsplash

探测太阳内部结构的跨太阳周期研究

为研究太阳内部结构，研究人员整合了来自多个观测设备的长期数据，包括太阳与日球层观测台（SOHO）卫星上的迈克尔逊多普勒成像仪（MDI）、太阳动力学天文台（SDO）卫星上的日震与磁场成像仪（HMI），以及地面全球振荡观测网（GONG）的观测资料。

太阳内部及外部大气结构示意图，显示核心、辐射区和对流区——三者之间由差旋层分隔——以及太阳表面特征，例如太阳黑子、耀斑、色球层和日冕。图片来源：美国国家航空航天局

自20世纪90年代中期以来，这些仪器持续记录太阳内部湍流等离子体运动所产生的声波，采样间隔为45至60秒。

利用这一整合数据集，研究团队分析了数十亿个独立测量值，构建出迄今最长、最详尽的太阳内部振动记录之一。

摄影：[Danielle-Claude Bélanger] / Unsplash

表面之下的蝴蝶形态

他们的分析表明，太阳内部深处这些迁移的旋转带形成了蝴蝶状的流动模式，与之后在太阳表面出现的太阳黑子分布模式相吻合。

这一模式引导研究人员发现了一个位于表面以下约20万公里（12.4万英里）的关键边界层，称为差旋层。

这一狭窄区域位于太阳剧烈扰动的外部对流层与下方稳定的辐射区内层之间。在差旋层中，太阳的自转速率发生显著变化，由此产生的强烈剪切流动可驱动磁场的产生。

曼达尔表示：源自太阳差旋层附近磁性结构变化的旋转带可能需要数年时间才能传播到表面。追踪这些内部变化有助于我们更清晰地了解太阳活动周期的演变过程。

为何差旋层至关重要

三种仪器观测到的内部流动模式之间高度一致，且与太阳表面黑子的迁移现象相吻合，这表明太阳深层动力学过程与全球太阳活动之间存在紧密联系。

多年来，我们一直认为差旋层对太阳发电机机制具有重要作用，如今已获得明确的观测证据。

准确定位太阳发电机的作用区域，有助于改进用于预测太阳活动的模型。太阳爆发事件（如耀斑和日冕物质抛射）可能干扰卫星运行、通信系统、导航信号以及地面电力网络。

虽然我们的研究结果尚不能实现对未来太阳活动周的精确预测，但凸显了在空间天气预测模型中纳入差旋层的重要性，曼达尔表示，目前许多模拟仅考虑近表面层的过程，而我们的结果表明，必须将整个对流区、尤其是差旋层纳入考量。

超越太阳系的深远影响

这些结果的影响范围也可能远超太阳系。

许多恒星都表现出与太阳类似的磁活动周期，但由于太阳距离地球较近，我们能够获得其高分辨率观测数据，而对其他恒星则无法达到同等分辨率。理解太阳发电机机制，可为我们研究银河系中其他恒星的磁活动提供理论框架。

新泽西理工学院计算日球物理学中心的研究团队，在该研究的共同作者、新泽西理工学院杰出教授亚历山大科索维奇夫的带领下，计划继续开展后续分析与数值模拟工作，以更深入地理解太阳发电机过程随时间的演化机制及其对太阳活动的驱动作用。

我们对太阳内部磁场如何演化仍知之甚少，曼达尔表示，通过更长时间序列的数据和更高质量的观测，我们有望追踪这些模式在当前及未来太阳活动周期中的变化，从而提升空间天气预报的准确性，更好地应对其对人类日常活动可能产生的影响。

日震学证据表明太阳发电机起源于近似差旋层区域

该研究获得了美国国家航空航天局（NASA）的资助，包括来自NASADRIVE科学中心的一项名为太阳内部与外部磁场和流场的影响的资助项目——该中心是由13所美国大学及研究机构组成的协作组织，新泽西理工学院（NJIT）是其参与单位之一。

BY: New Jersey Institute of Technology

FY: AI

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