[BizHanKook] 屏幕上看到的画面并非梵高的画作。黄色的巨大团块在不断翻涌，其间黑色的条纹和小漩涡此起彼伏，转瞬即逝。这种原本只有在木星或土星等巨大气态行星大气中才能见到的湍流，正发生在由等离子体组成的太阳表面。这并非想象图，也不是电脑特效，而是人类迄今为止拍摄到的最精细的太阳表面影像。
太阳是人类实际上唯一能够对其表面细节进行空间分解观察的恒星。其他恒星即便使用再大的望远镜，大多也只是一个闪亮的光点。然而太阳距离地球仅约1.5亿公里，光只需8分钟即可抵达。正因如此，我们能够直接观察到恒星表面是如何运动的，等离子体与磁场如何纠缠，以及这些能量如何演变为太阳爆发。
当然，太阳并没有像地球那样可以脚踏实地的坚硬表面。我们所称的“太阳表面”实际上是“光球层”。这是太阳内部发出的光不再被等离子体束缚，开始向宇宙中释放的层级。该光球层的温度约为5800开尔文。画面中布满的明暗颗粒被称为“米粒组织”或“粒度”。每个米粒的直径通常在500到2000公里之间。它们看起来像小细胞，但实际上每一个的面积都足以覆盖整个朝鲜半岛。
在明亮区域，太阳内部炽热的等离子体向上涌出。到达表面后，等离子体通过光的形式释放能量并冷却，随后沿着米粒间的暗边界下沉。这与烧开水的锅中热水上升、冷水下降的对流现象相同。只是在太阳上，因为带电等离子体在运动，所以对流与磁场无法分开讨论。等离子体的流动产生磁场，磁场反过来又改变等离子体的流动。太阳表面正是巨大对流与磁场相互博弈的现场。
人类很早以前就试图窥探太阳这充满活力的“面孔”。1610年左右，托马斯·哈里奥特（Thomas Harriot）、伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）、约翰内斯·法布里修斯（Johannes Fabricius）和克里斯托弗·谢纳（Christoph Scheiner）几乎在同一时期通过望远镜观察到了黑子。1611年，法布里修斯发表了黑子运动与太阳自转相关的论文。1845年，斐索（Fizeau）和傅科（Foucault）留下了太阳的银版摄影照片，进入20世纪后，光谱观测和磁场测量开始揭示隐藏在太阳外观下的物理学真相。
随着观测设备进入太空，太阳开始被视为一个生动活跃的星球，而非静止的图片。2006年发射的“日出”（Hinode）卫星上的太阳光学望远镜以约0.2角秒的分辨率观察了太阳磁场的细节结构。2010年发射的太阳动力学观测卫星（SDO）每隔约12秒便会在多个紫外波长下对整个太阳进行拍摄。我们常见的火环、太阳耀斑和日冕物质抛射的图像大多来自这颗卫星。
为了更近距离地窥视太阳，人类像伊卡洛斯一样从未停止过挑战。2024年12月，帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）接近到距离太阳表面仅约610万公里的位置。当时的飞行速度高达每小时约69万公里，是人类制造物中最快的速度。帕克探测器直接进入太阳的外层大气——日冕，测量了等离子体从太阳的引力和磁场中解脱并成为太阳风的过程。
然而，对太阳的挑战并不都在太空。在地面上，科学家们正以与帕克探测器完全不同的方式接近太阳。不是飞向太阳，而是将望远镜的“眼睛”打造到极致。处于这一领域顶峰的设备，是矗立在夏威夷毛伊岛哈雷阿卡拉山顶附近的“丹尼尔·K·井上太阳望远镜”（DKIST）。
井上太阳望远镜是主镜直径达4米的世界最大太阳望远镜。太阳本身已经足够明亮，为什么还需要巨大的镜子？核心不在于亮度，而在于分辨率。望远镜所能区分的最小结构尺寸，随着观测波长的缩短和镜面直径的增大而变小。用4米的镜子观测接近蓝光的416纳米波长时，理论上可以分辨出太阳表面约19公里的结构。
用4米镜子聚集太阳光还会产生另一个问题，因为进入望远镜的太阳能量高达约13千瓦。如果将这些热量直接聚焦，精密的光学设备会受损。井上望远镜在焦点附近移除了观测不需要的光和热，并利用全长超过11公里的冷却管道来管理望远镜内部的温度。它甚至具备夜间制冰以供白天冷却的系统。主镜设计为离轴结构，减少了光线被中央结构遮挡或散射的现象。
地面望远镜还面临大气的障碍。空气的温度和密度不断变化会导致光波前晃动，使图像变得模糊。这与星星闪烁的原理相同。井上望远镜利用带有1600个驱动器的变形镜来校正这种晃动。当波前传感器在1521个点测量到入射光的畸变时，控制装置会以每秒2000次的速度改变镜面形状。这就是自适应光学技术，通过在每次大气干扰图像的瞬间向相反方向扭曲镜面，从而还原原始图像。
井上望远镜在2020年公开了首次观测影像。当时米粒组织和黑子的细节结构就已经展现得空前清晰。然而，今年8月在《自然》（Nature）杂志上发表的研究成果更进一步。研究团队分析了2025年4月14日21时38分至21时41分期间约3分钟的观测结果。观测目标是靠近太阳圆盘中心的活动区NOAA 14060，该区域包含强磁场聚集的小型暗结构——孔隙（Pore）。
观测使用了仅允许416纳米光线通过的0.5纳米窄带滤光片及FastCam设备。相机读取的区域相当于太阳表面约5800乘以4350公里，一个像素约为6公里。单张曝光时间仅为100微秒，即万分之一秒。相机每秒拍摄740张图像。
不过，这并不是直接将每秒740张原始图像拼接成视频。研究团队同时拍摄了聚焦清晰的图像和刻意稍微模糊的图像。通过对比这两幅图像，可以反向计算出望远镜和大气的波前误差。在此基础上应用了“多帧盲解卷积”图像恢复技术。将完成校正和探测器校准的2000张原始图像合成为一张科学影像。由此得到的最终影像时间间隔为2.7秒。我们所看到的画面虽然不是通常意义上的直播，但它是每2.7秒还原出约19公里太阳表面结构的快速连续观测。
正是在这段影像中，出现了以前未曾见过的现象。米粒组织与强磁场交汇的边界并非平滑的直线。边界大部分像涟漪一样弯曲，并排出现了一连串的小钩子和漩涡。看起来就像梵高用粗笔触缠绕颜料一样。但这纹路有一个科学名称：开尔文-亥姆霍兹不稳定性（Kelvin–Helmholtz instability）。
开尔文-亥姆霍兹不稳定性发生于两个相互接触的流体以不同速度流动时。当界面出现极小的弯曲，速度差（即剪切）会放大这种弯曲。边界逐渐卷起，最终发展成波浪或漩涡形状。在地球上，这表现为条纹状云层或风吹过的水面，在木星和土星的大气中也表现为巨大的漩涡结构。由于太阳上运动的不是普通流体，而是携带磁场的等离子体，因此必须用磁流体力学来解释。
这一现象本身并非新物理学。亥姆霍兹在1868年、开尔文在1871年分别研究了不同速度流体的不稳定性。钱德拉塞卡在1961年系统地总结了磁场流体中这种不稳定性的演变规律。在太阳日冕、日冕物质抛射和色球喷流中，已经观测到过可以解释为开尔文-亥姆霍兹不稳定性的结构。然而，在太阳的可见表面——即光球层中明确确认这一现象，这还是第一次。因为特征尺寸太小，直径2米以下的现有太阳望远镜无法充分分解其边界。
太阳每天看起来都一样，但其表面上，我们才刚刚开始看到的微小漩涡正片刻不停地扭曲着磁场。人类像伊卡洛斯一样向太阳靠近，最终发现的不仅仅是巨大的火焰，还有那酝酿着火焰的、数十公里大小的微小波浪。
参考
https://nso.edu/telescopes/inouye-solar-telescope
作者 池雄培（音译）是谁？热爱猫咪与宇宙。儿时在看过《银河铁道999》后，立志要将宇宙的美丽传播给世人。目前担任世宗大学自由专业学部助理教授，参与讲座、写作等多种科学传播活动。著有《关于天文学家的无用之处》、《我们都是作为天文学家出生的》、《看宇宙时浮现的奇怪问题》等书籍，翻译了《我怎么杀死了冥王星》、《量子生活》、《UFO》等作品。