[BizHanKook] 螢幕上看到的畫面並非梵高的畫作。黃色的巨大團塊在不斷翻湧，其間黑色的條紋和小漩渦此起彼伏，轉瞬即逝。這種原本只有在木星或土星等巨大氣態行星大氣中才能見到的湍流，正發生在由等離子體組成的太陽表面。這並非想象圖，也不是電腦特效，而是人類迄今為止拍攝到的最精細的太陽表面影像。
太陽是人類實際上唯一能夠對其表面細節進行空間分解觀察的恆星。其他恆星即便使用再大的望遠鏡，大多也只是一個閃亮的光點。然而太陽距離地球僅約1.5億公里，光只需8分鐘即可抵達。正因如此，我們能夠直接觀察到恆星表面是如何運動的，等離子體與磁場如何糾纏，以及這些能量如何演變為太陽爆發。
當然，太陽並沒有像地球那樣可以腳踏實地的堅硬表面。我們所稱的“太陽表面”實際上是“光球層”。這是太陽內部發出的光不再被等離子體束縛，開始向宇宙中釋放的層級。該光球層的溫度約為5800開爾文。畫面中佈滿的明暗顆粒被稱為“米粒組織”或“粒度”。每個米粒的直徑通常在500到2000公里之間。它們看起來像小細胞，但實際上每一個的面積都足以覆蓋整個朝鮮半島。
在明亮區域，太陽內部熾熱的等離子體向上湧出。到達表面後，等離子體透過光的形式釋放能量並冷卻，隨後沿著米粒間的暗邊界下沉。這與燒開水的鍋中熱水上升、冷水下降的對流現象相同。只是在太陽上，因為帶電等離子體在運動，所以對流與磁場無法分開討論。等離子體的流動產生磁場，磁場反過來又改變等離子體的流動。太陽表面正是巨大對流與磁場相互博弈的現場。
人類很早以前就試圖窺探太陽這充滿活力的“面孔”。1610年左右，托馬斯·哈里奧特（Thomas Harriot）、伽利略·伽利萊（Galileo Galilei）、約翰內斯·法布里修斯（Johannes Fabricius）和克里斯托弗·謝納（Christoph Scheiner）幾乎在同一時期透過望遠鏡觀察到了黑子。1611年，法布里修斯發表了黑子運動與太陽自轉相關的論文。1845年，斐索（Fizeau）和傅科（Foucault）留下了太陽的銀版攝影照片，進入20世紀後，光譜觀測和磁場測量開始揭示隱藏在太陽外觀下的物理學真相。
隨著觀測裝置進入太空，太陽開始被視為一個生動活躍的星球，而非靜止的圖片。2006年發射的“日出”（Hinode）衛星上的太陽光學望遠鏡以約0.2角秒的解析度觀察了太陽磁場的細節結構。2010年發射的太陽動力學觀測衛星（SDO）每隔約12秒便會在多個紫外波長下對整個太陽進行拍攝。我們常見的火環、太陽耀斑和日冕物質拋射的影象大多來自這顆衛星。
為了更近距離地窺視太陽，人類像伊卡洛斯一樣從未停止過挑戰。2024年12月，帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）接近到距離太陽表面僅約610萬公里的位置。當時的飛行速度高達每小時約69萬公里，是人類製造物中最快的速度。帕克探測器直接進入太陽的外層大氣——日冕，測量了等離子體從太陽的引力和磁場中解脫併成為太陽風的過程。
然而，對太陽的挑戰並不都在太空。在地面上，科學家們正以與帕克探測器完全不同的方式接近太陽。不是飛向太陽，而是將望遠鏡的“眼睛”打造到極致。處於這一領域頂峰的裝置，是矗立在夏威夷毛伊島哈雷阿卡拉山頂附近的“丹尼爾·K·井上太陽望遠鏡”（DKIST）。
井上太陽望遠鏡是主鏡直徑達4米的世界最大太陽望遠鏡。太陽本身已經足夠明亮，為什麼還需要巨大的鏡子？核心不在於亮度，而在於解析度。望遠鏡所能區分的最小結構尺寸，隨著觀測波長的縮短和鏡面直徑的增大而變小。用4米的鏡子觀測接近藍光的416奈米波長時，理論上可以分辨出太陽表面約19公里的結構。
用4米鏡子聚集太陽光還會產生另一個問題，因為進入望遠鏡的太陽能量高達約13千瓦。如果將這些熱量直接聚焦，精密的光學裝置會受損。井上望遠鏡在焦點附近移除了觀測不需要的光和熱，並利用全長超過11公里的冷卻管道來管理望遠鏡內部的溫度。它甚至具備夜間製冰以供白天冷卻的系統。主鏡設計為離軸結構，減少了光線被中央結構遮擋或散射的現象。
地面望遠鏡還面臨大氣的障礙。空氣的溫度和密度不斷變化會導致光波前晃動，使影象變得模糊。這與星星閃爍的原理相同。井上望遠鏡利用帶有1600個驅動器的變形鏡來校正這種晃動。當波前感測器在1521個點測量到入射光的畸變時，控制裝置會以每秒2000次的速度改變鏡面形狀。這就是自適應光學技術，透過在每次大氣干擾影象的瞬間向相反方向扭曲鏡面，從而還原原始影象。
井上望遠鏡在2020年公開了首次觀測影像。當時米粒組織和黑子的細節結構就已經展現得空前清晰。然而，今年8月在《自然》（Nature）雜誌上發表的研究成果更進一步。研究團隊分析了2025年4月14日21時38分至21時41分期間約3分鐘的觀測結果。觀測目標是靠近太陽圓盤中心的活動區NOAA 14060，該區域包含強磁場聚集的小型暗結構——孔隙（Pore）。
觀測使用了僅允許416奈米光線透過的0.5奈米窄帶濾光片及FastCam裝置。相機讀取的區域相當於太陽表面約5800乘以4350公里，一個畫素約為6公里。單張曝光時間僅為100微秒，即萬分之一秒。相機每秒拍攝740張影象。
不過，這並不是直接將每秒740張原始影象拼接成影片。研究團隊同時拍攝了聚焦清晰的影象和刻意稍微模糊的影象。透過對比這兩幅影象，可以反向計算出望遠鏡和大氣的波前誤差。在此基礎上應用了“多幀盲解卷積”影象恢復技術。將完成校正和探測器校準的2000張原始影象合成為一張科學影像。由此得到的最終影像時間間隔為2.7秒。我們所看到的畫面雖然不是通常意義上的直播，但它是每2.7秒還原出約19公里太陽表面結構的快速連續觀測。
正是在這段影像中，出現了以前未曾見過的現象。米粒組織與強磁場交匯的邊界並非平滑的直線。邊界大部分像漣漪一樣彎曲，並排出現了一連串的小鉤子和漩渦。看起來就像梵高用粗筆觸纏繞顏料一樣。但這紋路有一個科學名稱：開爾文-亥姆霍茲不穩定性（Kelvin–Helmholtz instability）。
開爾文-亥姆霍茲不穩定性發生於兩個相互接觸的流體以不同速度流動時。當介面出現極小的彎曲，速度差（即剪下）會放大這種彎曲。邊界逐漸捲起，最終發展成波浪或漩渦形狀。在地球上，這表現為條紋狀雲層或風吹過的水面，在木星和土星的大氣中也表現為巨大的漩渦結構。由於太陽上運動的不是普通流體，而是攜帶磁場的等離子體，因此必須用磁流體力學來解釋。
這一現象本身並非新物理學。亥姆霍茲在1868年、開爾文在1871年分別研究了不同速度流體的不穩定性。錢德拉塞卡在1961年系統地總結了磁場流體中這種不穩定性的演變規律。在太陽日冕、日冕物質拋射和色球噴流中，已經觀測到過可以解釋為開爾文-亥姆霍茲不穩定性的結構。然而，在太陽的可見表面——即光球層中明確確認這一現象，這還是第一次。因為特徵尺寸太小，直徑2米以下的現有太陽望遠鏡無法充分分解其邊界。
太陽每天看起來都一樣，但其表面上，我們才剛剛開始看到的微小漩渦正片刻不停地扭曲著磁場。人類像伊卡洛斯一樣向太陽靠近，最終發現的不僅僅是巨大的火焰，還有那醞釀著火焰的、數十公里大小的微小波浪。
參考
https://nso.edu/telescopes/inouye-solar-telescope
作者 池雄培（音譯）是誰？熱愛貓咪與宇宙。兒時在看過《銀河鐵道999》後，立志要將宇宙的美麗傳播給世人。目前擔任世宗大學自由專業學部助理教授，參與講座、寫作等多種科學傳播活動。著有《關於天文學家的無用之處》、《我們都是作為天文學家出生的》、《看宇宙時浮現的奇怪問題》等書籍，翻譯了《我怎麼殺死了冥王星》、《量子生活》、《UFO》等作品。