辛苦观测7年，科学家终于发现太阳像一只生气的河豚

图片来源：SpongeBob SquarePants

撰文 | 不周

审校 | 王昱

你还记得，小时候拿起画笔，在纸上画下的第一个太阳长什么样吗？

画一个圆，圆里画一张笑脸，再用一段段凹曲线将“太阳公公”包裹起来——像一枚着火的荷包蛋。这幅简笔画，往往是我们对太阳的第一印象。我们难以直视高悬于头顶的光球，但如果认真看过日落，你可能会意识到，小时候的简笔画，似乎只有中间的圆才算写实，外面那一圈“刺”，只是对刺眼光线的一种描绘。

人类总希望离太阳近一些，再近一些，以便更清楚地观测它，并理解它如何影响我们脚下的地球。于是，我们发射了坚固耐高温的无人探测器，飞向太阳，以前所未有的清晰度凝视它。透过不同波段的影像中，太阳往往呈现为一个边界分明的球体，表面看上去“麻麻赖赖”。这幅画面很符合我们的直觉：太阳是个球，表面温度极高，炽热的等离子体一直在沸腾翻滚。

  图片来源：NASA

但我们肉眼可见的，并非太阳的全部。作为一颗恒星，太阳核心的聚变反应持续向外释放着巨大的能量，这也是我们在地球上感受到光与热的源头。随着能量从太阳内部出发，穿过稠密的辐射区和相对低温的对流区，就抵达了太阳外层——光球层。光球层不是一层固体壳，而是一层薄薄的发光区域，仅有约500千米厚。

从这里开始，可见光开始能相对自由地逃离太阳，也就形成了我们所能看到的太阳表面。光球层在可见光波段太过明亮，导致更外层、更稀薄黯淡的色球层和日冕几乎肉眼不可见，只有借助专业的观测设备，或者在全日食短暂的几分钟，才可能窥见其像火焰般的真面目。

但太阳物理学家知道，在太阳沸腾的火焰之外，还藏着一个隐匿的、更难被察觉的物理边界——阿尔文表面（Alfvén surface）。由于这个边界太稀薄、太动态，完全无法像光球那样拍成清晰的照片。在很长一段时间以来，太阳物理学家只能通过理论模型猜测它距离太阳有多远，形状什么样，又如何随太阳活动变化。

直到近些年，一些太阳探测器有了“贴脸”飞行的可能，科学家才终于“看见”这条物理边界。据2025年12月发表于《天体物理学杂志快报》（Astrophysical Journal Letters）的一项研究，太阳的阿尔文表面并非如我们之前所想，是一个随太阳活动增大缩小的圆润球体，在太阳活动的极大期，它不仅急剧膨胀，还变得异常狂暴扭曲——像极了浑身长满尖刺的生气河豚，也有点像我们童年时的简笔画。

影响的边界

要理解这一河豚形态的隐形边界，我们得先观察稀薄、温度却高达上百万摄氏度的日冕。在如此高温之下，等离子体并不会安分地待在日冕中——高速运动的粒子时刻渴望摆脱太阳的引力束缚，飞入星际空间。也因此，如果将视野拉到更远处，你发现日冕外层的确会持续向外膨胀，一股股带电粒子构成的稀薄气流，像漏气一样，源源不断地从日冕各处以每小时数百千米的速度吹向星际空间——这就是太阳风，也是引起极光、地磁暴等现象的源头。

但带电粒子逃离日冕并不是一个轻松的过程。太阳磁场极为强大，像无形的缰绳一般，试图控制身边所有的带电等离子体。因此在离太阳较近的地方，太阳风的速度并没有那么高，磁场扰动沿着磁力线传播的速度通常更高——这种特征速度也被称为阿尔文速度，由瑞典物理学家汉尼斯·阿尔文 (Hannes Alfvén)于1942年首次提出。

 图片来源：NASA

阿尔文在研究宇宙中的等离子体时，意识到在导电流体与磁场共同作用下，磁场并非此前认为的静止背景，而是像弹簧一样能被“扯动”的介质。也就说，太空并不是真空一般的死寂，而是充满了会传递信息的磁场的波动。随着空间探测时代的到来，人类将探测器送入行星磁层，真实探测到了等离子体与磁场纠缠的行为，才证实了阿尔文的推测，也让他获得了1970年诺贝尔物理学奖。

阿尔文速度本质上代表着太阳影响力的传播速度。在一定范围内，太阳风外层的任何扰动和信息都能通过磁场向内传回给太阳，太阳依然对太阳风具有“控制权”。但随着太阳风越跑越远，就会出现一个临界点——当太阳风外流的速度增长到与阿尔文速度相当，甚至超过它时，扰动便再难传回太阳，扰动信息也会被太阳风单向带走。而决定太阳风“自由”与否的边界，正是阿尔文表面。边界以内，太阳风尚未完全挣脱控制；边界以外，则是太阳风挣脱磁力线，脱缰而去，无法回头的区域。

飞入母星势力范围

理解阿尔文表面，本质上是在探寻太阳如何掌控它的“领土”。对于太阳物理学家而言，阿尔文表面内是太阳的日冕活动，而当带电粒子运动到阿尔文表面外，就变成了名为太阳风的行星际现象。阿尔文表面牵扯着太阳如何通过太阳风损失角动量——这直接关系到太阳自转减速的过程，乃至它的整体寿命如何演化。而当它的范围扩大时，意味着太阳风能带走更多的粒子；而当它的形状变得更粗糙，更不规则，也意味着太阳风在不同位置和时间上更难预测。这些变化都与地球轨道上的空间天气息息相关。

然而，望远镜能看清光球与日冕的轮廓，却很难直接拍摄太阳风速度的边界；大多数探测器距离太阳又太过遥远，只能测量到太阳风外侧的数据。太阳物理学家只能借助径向缩放模型（通过远处太阳风参数倒推计算）和全球日冕模型（计算机模型日冕-太阳风范围估算），推测阿尔文表面落在10~20个太阳半径范围内，并假定它大致是一个相对规整的圆球。但它究竟多光滑，还是布满褶皱？是否会随太阳活动周期变化？这些关键的细节都需要依靠实地测量。

 图片来源：NASA

2021年，美国航空航天局（NASA）的帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）肩负着“触摸太阳”的使命，首次飞越日冕，并记录了其中的粒子与磁场数据。帕克第一次飞越日冕，在大约19.8个太阳半径处（距离太阳表面约1300万千米），捕捉到粒子速度低于阿尔文速度的关键信号，触及了阿尔文边界的上沿。不过当时帕克只是短暂地切入其中，很快便飞越出来。随着它每次绕太阳运行，轨道越发靠近太阳，也越来越频繁地潜入阿尔文表面以下，带回了更多的数据，科学家也得以接近阿尔文表面的真相。

原来是炸毛河豚呀

对太阳物理学家而言，帕克探测器在阿尔文表面内外穿梭几次的数据，并不足以还原边界的全貌。除了近距离、离散地采集数据，也需要远处探测器提供的全局视角。美国哈佛-史密森尼天体物理学中心的太阳物理学家萨姆·巴德曼（Sam Badman，这项研究的第一作者）整合了帕克太阳探测器、太阳轨道飞行器（Solar Orbiter）以及位于地球轨道附近第一拉格朗日点（L1）的多台监测卫星观测数据。数据集的时间尺度覆盖了2018年10月至2025年4月，从太阳活动最少的太阳极小期到太阳极大期的全过程；空间尺度也横跨了0.045天文单位（au，日地平均距离，约1.5亿千米）到1天文单位。

巴德曼和同事并不只想要知道阿尔文表面的平均距离，更想要描绘它的几何形态，同时追踪它在半个太阳活动周期内的起伏与变形。为此，他们开发了一套全新的物理算法。此前的阿尔文表面推算模型，通常假设太阳风匀速向外吹。但这种方法往往低估了太阳风在靠近太阳区域的持续加速过程，这就导致此前推算出的边界比实际位置地约1.5~2.5个太阳半径。通过修正太阳风的加速曲线，比对近日点与远日点的观测数据，阿尔文表面的地图也逐渐清晰地显现出来。

 图片来源：原论文

随着太阳从2019年前后的极小期逐渐步入2024-2025年的极大期，阿尔文表面的平均高度，从最初约12～17个太阳半径，一路扩张到现在约15～23个太阳半径。在太阳极小期时，由于太阳相对“平和”，阿尔文表面的确如科学家想的那样，形状相对圆润；但当太阳步入极大期，在膨胀之余，原本还算规整的边界也布满了无数向外突出的“尖刺”，大大增加了阿尔文表面的“非球性”，而这种不规则程度还会随太阳黑子的数量增长同步剧增。研究人员推测，这些尖刺可能来自太阳极大期频繁爆发的日冕物质抛射（CME），它们可能在太阳风中留下了持久的影响，导致”河豚“有时会突然竖起尖刺。

对于太阳而言，阿尔文表面的每一次“炸毛”都伴随着巨大的能量交换。尽管从太阳极小期到极大期，阿尔文表面的平均半径只增加了约30%，但由于角动量损失与半径的平方成正比，这意味着太阳在极大期损失旋转动能的速度几乎翻了一倍，就像猛踩了一脚刹车一样。了解太阳的阿尔文表面，或许能帮我们更好地理解太阳这类恒星如何随时间流逝，自转速度逐渐减慢，也为我们理解其他遥远恒星的演化提供了参考。

这项发现可能也对理解太阳系外的行星具有重要意义。一些行星紧邻其恒星运行，其中一些恒星的磁场活动远强于太阳，导致其阿尔文表面延伸得更远。如果一颗行星近距离围绕活跃的恒星运行，那么它整个生命周期可能都会处于阿尔文表面以内，“这对居住环境来说，可能不是好消息，”巴德曼在接受ScienceNews采访时表示。