1名本科生如何帮助解开一个关于太阳的持久谜团

在一项新的研究中，一组物理学家在科罗拉多大学博尔德分校招募了大约1名本科生，以帮助回答关于太阳的最持久的问题之一：恒星最外层的大气层或“日冕”是如何变得如此炽热的?

这项研究代表了数据分析的几乎前所未有的壮举：从2020年到2022年，主要由一年级和二年级学生组成的小军研究了600多个真实太阳耀斑的物理学 - 来自太阳旋转日冕的巨大能量爆发。

研究人员，包括995名本科生和研究生，在“天体物理学杂志”上发表了他们的发现。结果表明，太阳耀斑可能不是过热太阳日冕的原因，正如天体物理学中流行的理论所暗示的那样。

“我们真的想向这些学生强调，他们正在做真正的科学研究，”该研究的主要作者，约翰霍普金斯大学应用物理实验室的天体物理学家詹姆斯梅森说。

该研究的共同作者Heather Lewandowski对此表示同意，并指出如果没有为该项目贡献了大约56，000小时工作的本科生，这项研究是不可能的。

“这是所有相关人员的巨大努力，”物理学教授兼JILA研究员Lewandowski说，JILA是CU Boulder与美国国家标准与技术研究院(NIST)的联合研究机构。

篝火物理

这项研究聚焦于一个谜团，即使是资深天体物理学家也挠头。

望远镜观测表明，太阳的日冕在数百万华氏度的温度下发出嘶嘶声。相比之下，太阳表面要冷得多，只有数千度。

“这就像站在篝火前，当你后退时，它会变得更热，”梅森说。“没道理。”

一些科学家怀疑，特别是微小的耀斑或“纳米耀斑”，即使是最先进的望远镜也无法发现，可能是原因。如果存在这样的事件，它们可能会几乎不断地出现在太阳上。而且，理论认为，它们可以加起来使电晕变得温暖。想想用数千根单独的火柴煮一锅水。

梅森说，学生们的结果对这一理论产生了怀疑，尽管他认为现在确定还为时过早。

“我希望我们的结果会有所不同。我仍然觉得纳米耀斑是日冕加热的重要驱动力，“梅森说。“但我们论文的证据表明情况恰恰相反。我是一名科学家。我必须去证据指向的地方。

大流行高峰期

这项工作始于 大流行的高峰期。

2020年春季，CU Boulder与全国大多数大学一样，将其课程完全转移到网上。然而，莱万多夫斯基面临着一个困境：那年秋天，她正在教授一门名为“实验物理I”的动手研究课程，她的学生无事可做。

“这是大流行高峰期，”莱万多夫斯基说。“有时很难回忆起当时的生活是什么样的。这些学生非常孤立。他们真的很紧张。

梅森当时是CU Boulder大气与空间物理实验室(LASP)的研究员，他提出了一个想法。

这位科学家长期以来一直想深入研究太阳耀斑的数学。特别是，他试图检查2011年至2018年间发生的数千次耀斑的数据集，这些耀斑已被太空中的仪器发现。它们包括美国国家海洋和大气管理局的地球静止实用环境卫星(GOES)系列和美国宇航局的微型X射线太阳光谱仪(MinXSS)，这是在LASP设计和建造的CubeSat任务。

问题是：耀斑太多了，他无法自己检查。

就在那时，梅森和莱万多夫斯基向学生们寻求帮助。

梅森解释说，你可以通过研究科学家几十年来直接观察到的较大耀斑的物理学来推断纳米耀斑行为的细节。

为了做到这一点，学生们分成三到四人一组，选择一个他们想在学期中分析的正常耀斑。然后，通过一系列冗长的计算，他们计算出每个事件可以向太阳日冕注入多少热量。

他们的计算描绘了一幅清晰的画面：太阳纳米耀斑的总和可能不足以将其日冕加热到数百万华氏度。

教育经历

是什么让日冕如此炽热尚不清楚。一个相互竞争的理论认为，太阳磁场中的波将能量从太阳内部带到大气层。

但这项研究的实际发现并不是它唯一的重要结果。莱万多夫斯基说，她的学生能够在科学家和工程师的职业生涯早期获得难得的机会 - 直接了解科学研究在现实世界中的协作和经常混乱的方式。

“我们仍然听到学生们在大厅里谈论这门课程，”她说。“我们的学生能够在非常艰难的时期建立一个社区并相互支持。”

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