磁场对于我们的太阳来说具有极其重要的意义。正是因为磁场，关于太阳的科学研究才会数百年来一直长盛不衰（从17世纪初伽利略用望远镜观测和研究太阳算起）。20世纪初，著名天文学家、The Astrophysical Journal的创刊人George Ellery Hale利用塞曼效应首次测量到太阳黑子中数千高斯的磁场。在那之后，塞曼效应一直被用于测量太阳表面(光球)的磁场。然而100多年过去了，我们对太阳磁场的常规测量仍局限在光球。光球之上的太阳大气，尤其是最外层的日冕，由于磁场很弱，很难通过塞曼效应来测量。由于太阳大气各层次中的磁场实际上是一个整体，磁场将各层大气耦合在一起，这导致太阳上最重要的物理过程大多跟磁场的三维结构及其演化有关，因此，日冕磁场测量的困难极大地制约了太阳物理学科的发展。
近日，中国科学院太阳活动重点实验室主任、国家天文台兼职研究员田晖领导的一个国际团队首次测量得到日冕磁场的全球性分布，为日冕磁场测量这一世纪难题的解决提供了一个新的有效途径，从而向实现日冕磁场常规测量的最终目标迈进了一大步。两篇相关论文近日分别发表在Science杂志（《科学》）和Sci China Tech Sci杂志（《中国科学:技术科学》）上，国家天文台是通讯作者田晖的第二单位。
田晖等人的研究主要基于“磁震学”的方法。过去，“磁震学”方法的基本思路是根据冕环等结构中偶而发生的震荡或波动现象的观测，结合磁流体波动理论，来诊断日冕中的磁场。但由于这些震荡现象通常只是发生在日冕中很小的区域内，并且震荡经过几个周期后就衰减消亡了，这种方法一般只能给出震荡结构的平均磁场强度，因此其应用非常有限。要打破这个瓶颈，对更大区域内的磁场及其演化进行测量，需要将“磁震学”方法应用到更加普遍的波动现象上。
田晖团队与美国国家大气研究中心的日冕多通道偏振仪(CoMP)团队合作，提出基于日冕中普遍存在的磁流体横波来测量日冕磁场的新思路。他们首先将过去局限于部分区域的波动追踪方法拓展到整个视场范围，从而获得这些波动传播速度的全球性分布。之后，他们利用1074.7 nm和1079.8 nm谱线辐射强度之比对密度敏感的特性，得到了日冕等离子体密度的全球性分布。最后，在波动追踪和密度诊断的基础上，他们首次基于日冕观测获得了日冕磁场的全球性分布（图1）。
这一研究实现了用磁震学方法测量日冕磁场从点到面的飞跃，向实现日冕磁场常规测量的最终目标迈进了一大步。受地面观测条件和CoMP仪器性能的影响，目前只能将这一方法应用到少数高质量的观测数据中。另外，这一方法只能得到垂直于视线方向上（天空平面）的磁场分量，而无法得到沿着视线方向上的磁场分量。因此，一方面，未来我们需要建造类似CoMP的更大口径的日冕仪，从而获得更高信噪比的观测数据；另一方面，我们需要保持开放的心态，通过充分探索来发现更多的可用于测量日冕磁场的有效方法。
我国在太阳高层大气（包括日冕和过渡区）的观测方面远远落后于美国、日本、欧洲等国。近年来，国家天文台太阳物理部和太阳活动重点实验室积极推动射电日像仪、日冕仪、极紫外成像和光谱仪等日冕核心观测设备的研制，期望提升我国对太阳高层大气观测的能力。随着第25太阳活动周的来临，国家天文台已建成的内蒙古明安图射电日像仪（MUSER）有望在包括日冕磁场诊断在内的多个重要课题上取得突破性进展。
CoMP观测的日冕磁场强度（左）和方向（右）分布图叠加在SDO卫星拍摄的日冕图像上。
相关论文：
1.Z.-H. Yang, C. Bethge, H. Tian, S. Tomczyk, R. Morton, G. Del Zanna, S. W. McIntosh, B. Binay Karak, S. Gibson, T. Samanta, J.-S. He, Y.-J. Chen, L.-H. Wang, Global maps of the magnetic field in the solar corona, Science, 369, 694 (2020).
2.Z.-H. Yang, H. Tian, S. Tomczyk, R. Morton, X.-Y. Bai, T. Samanta, Y.-J. Chen, Mapping the magnetic field in the solar corona through magnetoseismology, Sci China Tech Sci, DOI: https://doi.org/10.1007/s11431-020-1706-9 (2020).
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