物理学家尝试解答困扰科学界25年的的神秘太阳悖论

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在著名的《物理评论快报》2021年8月18日发表的一篇文章中，Ernest Alsina Ballester（IRSOL和IAC）、Luca Belluzzi（IRSOL）和Javier Trujillo Bueno（IAC）展示了这样一个耐人寻味的悖论的解决方案，在过去几十年里，这个悖论一直困惑着太阳物理学家。这项研究为在目前大口径太阳望远镜的新时代探索难以捉摸的太阳色球层磁场打开了一扇新的窗口。

25年前，在用新仪器苏黎世成像偏振仪（ZIMPOL）分析太阳光的偏振时发现了一个神秘的信号。这个神秘的线性偏振信号出现在中性钠的D1线的5896埃波长处，根据该线的量子数，这里不应该有散射过程导致的线性偏振出现。因此，这个偏振信号是完全出乎意料的，它的解释立即引起了激烈的科学辩论。两年后，当《自然》杂志发表了一封带有解释的信件时，这个谜团进一步加剧，它要求D1线低级别的子级数并不是平等地填充的。在该理论工作中，D1线神秘的偏振信号被很好地再现了出来。然而，所提出的解释意味着太阳大气层中被称为色球层的区域是完全未被磁化的，这显然与已有的结果相矛盾，而这些结果表明，太阳色球层的安静区域（太阳黑子之外）被高斯范围内的磁场所弥漫。这开启了一个严重的悖论，多年来一直挑战着太阳物理学家，甚至导致一些科学家质疑原子-光子相互作用的量子理论。

2013年在IAC会议上实现了解决该悖论的第一个突破，当时Luca Belluzzi和Javier Trujillo Bueno从理论上发现了一个新的机制，通过该机制可以在钠D1线中产生线性极化，而不需要在D1线的低级别的群体不平衡。然而，这些研究人员给出的重要步骤是针对在没有磁场的太阳大气模型的理想化情况下。

在2021年8月18日发表在美国物理学会著名科学杂志《物理评论快报》上的一篇文章中，Ernest Alsina Ballester、Luca Belluzzi和Javier Trujillo Bueno展示了这个耐人寻味的悖论的解决方案，这个悖论自1998年以来一直困扰着太阳物理学家。如图1所示，这个研究小组已经能够重现D1线极化的神秘观察，在高斯范围内的磁场存在下。为了取得这一成果，有必要对这一偏振信号进行有史以来最完整的理论建模，说明非常复杂的物理机制的共同作用。这需要三年的工作，通过洛迦诺-蒙蒂的Istituto Ricerche Solari (IRSOL)（隶属于意大利南部大学）和特内里费的加那利群岛天体物理研究所（IAC）的POLMAG小组之间的密切合作进行。

这一结果具有非常重要的影响。像在钠的D1线中观察到的线性偏振信号是非常有趣的，因为它们编码了太阳色球层中存在的难以捉摸的磁场的独特信息。太阳大气层的这一关键界面层，位于底层温度相对较低的光球和上层数百万度的日冕层之间，是太阳物理学中几个持久问题的核心，包括对可能强烈影响我们这个依赖技术的社会的爆发性现象的理解和预测。众所周知，磁场是太阳色球层壮观动态活动的主要驱动力，但我们对其强度和几何形状的经验知识在很大程度上仍不令人满意。太阳D1线极化这一长期存在的悖论的解决，证明了目前光谱线极化的量子理论的有效性，并在目前大口径太阳望远镜的新时代，为探索太阳大气层的磁性打开了一扇新的窗口。