太阳表面的太阳黑子和耀斑是由太阳磁场驱动的，太阳磁场是通过一种叫做发电机作用的内部过程产生的。天体物理学家假设太阳的磁场是在恒星深处产生的。但麻省理工学院的一项研究发现，太阳的活动可能是由一个更浅的过程形成的。
在《自然》杂志上发表的一篇论文中，麻省理工学院、爱丁堡大学和其他地方的研究人员发现，太阳的磁场可能是由太阳最外层的不稳定引起的。
研究小组建立了一个精确的太阳表面模型，并发现当他们模拟太阳表面5-10%的等离子体(电离气体)流动的某些扰动或变化时，这些表面变化足以产生真实的磁场模式，与天文学家在太阳上观察到的特征相似。相比之下，他们在更深层的模拟得出的太阳活动不太真实。
这些发现表明，太阳黑子和耀斑可能是一个浅层磁场的产物，而不是像科学家们大多认为的那样，是一个起源于太阳深处的磁场。
“我们在观察太阳时看到的特征，比如许多人在最近的日食中看到的日冕、太阳黑子和太阳耀斑，都与太阳的磁场有关，”该研究的作者、麻省理工学院数学系的研究科学家基顿·伯恩斯说。
“我们表明，太阳表面附近的孤立扰动，远离深层，可以随着时间的推移而增长，从而可能产生我们所看到的磁性结构。”
如果太阳的磁场确实来自其最外层，这可能会给科学家们一个更好的机会来预测耀斑和地磁风暴，这些耀斑和地磁风暴有可能破坏卫星和电信系统。
“我们知道发电机就像一个巨大的时钟，有许多复杂的相互作用的部分，”合著者杰弗里·瓦西尔说，他是爱丁堡大学的研究员。“但我们不知道很多碎片，也不知道它们是如何组合在一起的。这个关于太阳能发电机如何启动的新想法对于理解和预测它至关重要。”
该研究的共同作者还包括西北大学的Daniel Lecoanet和Kyle Augustson，贝茨学院的Jeffrey Oishi，科罗拉多大学博尔德分校的Benjamin Brown和Keith Julien，以及加州大学圣克鲁斯分校的Nicholas brumell。
太阳是一个表面沸腾的白热等离子体球。这个沸腾的区域被称为“对流区”，等离子体层和羽状物在这里翻滚和流动。对流区包括太阳半径的上三分之一，延伸到地表以下约20万公里。
“如何启动发电机的一个基本想法是，你需要一个区域，在那里有很多等离子体在其他等离子体之间移动，剪切运动将动能转化为磁能，”伯恩斯解释说。“人们曾经认为太阳的磁场是由对流区最底部的运动产生的。”
为了确定太阳磁场的确切来源，其他科学家已经使用大型三维模拟来试图解决等离子体在太阳内部许多层中的流动。伯恩斯说:“这些模拟需要在国家超级计算设备上运行数百万小时，但它们产生的结果仍然远不及实际的太阳那样动荡。”
伯恩斯和他的同事们想知道，研究太阳表面附近等离子体流动的稳定性是否足以解释发电机过程的起源，而不是模拟整个太阳体内等离子体的复杂流动。
为了探索这个想法，研究小组首先使用了来自“日震学”领域的数据，科学家们利用观察到的太阳表面的振动来确定表面下等离子体的平均结构和流动。
伯恩斯说:“如果你拍摄一个鼓的视频，观察它是如何在慢动作中振动的，你可以从振动模式中计算出鼓面的形状和刚度。”“同样，我们可以利用我们在太阳表面看到的振动来推断太阳内部的平均结构。”
在他们的新研究中，研究人员从日震观测中收集了太阳结构的模型。“这些平均流动看起来有点像洋葱，不同层的等离子体相互旋转，”伯恩斯解释说。“然后我们会问:是否存在扰动或等离子体流动的微小变化，我们可以将其叠加在这种平均结构之上，从而可能导致太阳磁场的形成?”
为了寻找这样的模式，研究小组利用了Dedalus项目，这是Burns开发的一个数值框架，可以高精度地模拟多种类型的流体流动。该代码已被广泛应用于各种问题，从单个细胞内部的动力学建模，到海洋和大气环流。
伯恩斯说:“我的合作者多年来一直在思考太阳磁场问题，而德达勒斯的能力现在已经达到了我们可以解决这个问题的程度。”
该团队开发了算法，并将其整合到Dedalus中，以发现太阳平均表面流量的自我增强变化。该算法发现了新的模式，这些模式可以生长并导致真实的太阳活动。特别值得一提的是，该团队发现的模式与自1612年伽利略以来天文学家观测到的太阳黑子的位置和时间尺度相匹配。
太阳黑子是太阳表面短暂的特征，被认为是由太阳磁场形成的。与太阳白热表面的其他部分相比，这些相对较冷的区域呈现为黑点。天文学家长期以来一直观察到太阳黑子以周期性模式出现，每11年增长和消退一次，通常在赤道附近，而不是在两极附近。
在研究小组的模拟中，他们发现，在太阳表层的前5-10%内，等离子体流动的某些变化足以在同一区域产生磁性结构。相比之下，较深层的变化产生的太阳场不太真实，集中在两极附近，而不是赤道附近。
研究小组的动机是仔细观察表面附近的流动模式，因为那里的情况类似于完全不同系统中的不稳定等离子体流动:黑洞周围的吸积盘。吸积盘是由气体和恒星尘埃组成的巨大圆盘，在“磁旋转不稳定性”的驱动下，它们朝着黑洞旋转，磁旋转不稳定性会在气流中产生湍流，并导致气流向内坠落。
伯恩斯和他的同事们怀疑太阳也有类似的现象，太阳最外层的磁旋转不稳定可能是产生太阳磁场的第一步。
“我认为这个结果可能会引起争议，”他说。“社区的大多数人一直专注于在太阳深处寻找发电机的作用。现在我们展示了一种不同的机制，似乎与观察结果更吻合。”
伯恩斯说，研究小组正在继续研究新的表面磁场模式是否能产生单个太阳黑子和完整的11年太阳周期。
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