这里有一个物理学的把戏:让两种流体以不同速度相互滑动,它们之间的边界会弯曲、卷曲并形成整齐的小漩涡。这被称为开尔文-亥姆霍兹不稳定性,这一现象在19世纪60年代末就已得到解释,也是风使水面泛起涟漪、云层剪切形成波浪状条纹的原因。几十年来,科学家们怀疑太阳等离子体也有同样的行为,但没有人能证明。现在,由美国国家太阳观测站的大卫·库里泽和弗里德里希·沃格尔领导的团队不仅证实了这一点,还表示这些漩涡在太阳表面无处不在。这可能会改变我们对热量、质量和磁能如何在太阳大气中流动的看法。

这些等离子体漩涡之所以隐藏了这么久,原因简单得令人尴尬:它们太小了。小于任何口径在2米以下的望远镜所能分辨的尺寸。在太阳物理学历史的大部分时间里,这排除了地球上所有的望远镜。直到丹尼尔·井上太阳望远镜的出现,这是一台位于夏威夷的4米巨兽,也是地球上最大的太阳望远镜,于2021年11月开始运行。

2025年4月14日,库里泽的团队将其对准太阳圆盘中心附近的一个活动区,用美国国家太阳观测站和马克斯·普朗克太阳系研究所制造的诊断相机在416纳米波长下记录图像。他们的目标很朴素:“实现衍射极限性能,”库里泽说。他们并不是在寻找漩涡——他们只是想推动望远镜的分辨率。波长越短,细节越精细,所以他们选择了416纳米,“朝向可见光谱的较短部分”。

他们得到的回报超出了酷炫的测试驾驶。相机以每秒740帧的速度拍摄,曝光时间为100微秒。使用多帧盲反卷积将2000帧图像组合起来,以消除大气模糊,生成每秒两帧、分辨率约为19公里的影片——这是4米镜在该波长下的理论极限。

“作为副产品,我们获得了这些惊人的观测结果,使我们能够看到以前从未见过的东西,”库里泽说。在416纳米波长下,太阳表面显示出颗粒——从内部携带热量的对流单元——与强磁场束交织在一起。在较低分辨率的图像中,这些磁场区域与周围颗粒之间的边界看起来平滑而模糊。在DKIST数据中,它们是一团漩涡状结构和细小的暗条纹。

团队识别出47个带有漩涡的界面,相邻卷曲间距为60至100公里。单个漩涡直径为25至170公里,最小的正好在19公里分辨率极限处——所以我们不知道它们能小到什么程度。它们可以在不到一分钟内增大一倍,并以每秒0.67至3公里的速度沿界面传播。

如果你悬停在这些边界之一上方,库里泽说,视野取决于时机。首先是线性阶段:“更放松,非常有组织,规则而美丽,”有滚动、云状结构。然后是非线性阶段:“非常混乱的湍流”。

为什么这些界面会形成卷曲?这完全取决于磁场的方向。磁力线像弹性线一样穿过等离子体,抵抗弯曲。当它们沿着流动方向时,会抑制不稳定性。当它们横穿流动时,则不起作用。在DKIST观测到的强磁场区域,磁场指向正上方,而颗粒流横向移动——线以错误的方式排列,因此漩涡不受阻碍地生长。

但看到别人从未见过的东西还不够。“一切看起来都像是开尔文-亥姆霍兹不稳定性,但当然这还不够,”库里泽说。因此,他们运行了计算机模拟,模拟一个约6兆米见方的光球层区域,网格间距为3.2公里,并注入了实际的