“我们认为，在太阳光球层发现开尔文-亥姆霍兹不稳定性，并辅以数值模拟分析，是理解太阳和恒星等离子体动力学与演化的重大进步，也将为未来的发现奠定基础。”——美国国家太阳观测站副主任 David Boboltz 博士。
开尔文-亥姆霍兹不稳定性（KHI）是一种由流体运动引起的效应，当两种流体以不同速度相互滑动时，会在界面处产生“剪切”，使微小扰动发展成醒目的波浪状或螺旋状涡旋，形似破碎的海浪。自1870年前后由开尔文勋爵和赫尔曼·冯·亥姆霍兹首次提出以来，KHI已在流体动力学、气象学、海洋学、太阳物理学和天体物理学等多个物理领域被观测和研究。这种不稳定性出现在各种尺度上，从地球上的小湖泊和海洋波浪（有风时）、云层形成，到木星和土星等气态巨行星的大气层，以及太阳风与太阳系内行星磁层的相互作用。
涡旋：太阳爆发事件的驱动因素
磁性太阳等离子体的旋转涡旋日益引起太阳物理学家的兴趣。它们可能是自由磁能的有效来源，为重大太阳活动提供动力——从微小的纳米耀斑到巨大的耀斑、喷流和日冕物质抛射。这些活动是空间天气的主要贡献者，可能严重干扰现代技术基础设施，包括电网、卫星、GPS导航和全球通信。
关于太阳如何积累磁能的主要理论称为“磁通量编织”。当磁力线相互缠绕——就像编辫子一样——会形成一种紧张、不稳定的结构。当这种张力迅速释放时，纠缠的磁力线会“断裂”、相互交叉，并以新的形状重新连接（这一过程称为“磁重联”）。这种突然的重排会在系统进入更平静、更低能量状态时释放出能量爆发。
科学家尚未完全理解的是，最初是什么导致了这种扭转和编织。这项新发现——那些由开尔文-亥姆霍兹不稳定性产生的小尺度涡旋图案——可能是答案的一部分。由于这些涡旋似乎在太阳表面任何磁场足够强的地方持续且普遍地出现，它们可能是日常的“引擎”，不断扭转磁力线并启动整个过程。
“我们仅仅开始认识到，开尔文-亥姆霍兹不稳定性的发现对我们理解磁化等离子体运动与能量输运及向上层太阳大气释放之间的联系，具有深远影响。”——美国国家太阳观测站资深科学家 Friedrich Wöger 博士。
井上望远镜观测、模拟与理论相吻合
在该团队发表于《自然》的论文中，他们分析并比较了井上望远镜的高分辨率观测结果，以及由包括 HAO 和 MPS（MPS/芝加哥大学辐射磁流体力学代码，即“MURaM”）在内的国际团队构建和维护的高度专业化代码生成的太阳光球层计算机模拟。这些由 HAO 提供的计算机模拟基于描述太阳大气中基本物理过程的物理方程构建，是解读科学数据的重要工具。模拟使科学家能够“看到”难以或无法直接观测到的事物，为那些原本隐藏的过程提供洞见。
在这项工作中，科学家在观测和模拟中都在磁场区域的边缘发现了数十个涡旋状结构，其特征和动力学惊人地相似。例如，涡旋之间的平均距离，即“不稳定性波长”，在两种情况下均在50–65公里之间。研究表明，太阳不断翻腾的表面（即米粒组织）与磁结构相互作用，产生了相邻层以不同速度运动的区域，为触发KHI提供了必要条件。
“非常令人兴奋的是，太阳光球层的最高分辨率观测揭示了磁场浓度边缘处以KH涡旋形式存在的新的动力学状态。这些观测也提供了迄今为止对太阳磁流体动力学模拟的最高分辨率验证，物理细节上的一致性令人印象深刻。”——高海拔天文台资深科学家 Matthias Rempel 博士。
团队对井上望远镜观测和计算机模拟的深入分析，以及与解析理论的一致性，使他们得出结论：在观测和模拟中发现的旋转涡旋，以及快速移动、最精细尺度的暗条纹（“条痕”），毫无疑问是由KHI产生的。
上图为井上太阳望远镜的真实观测（左上）与最先进的基于物理的计算机模拟生成的合成图像（右上）的并排比较。两者之间的惊人一致性使科学家得以确认开尔文-亥姆霍兹不稳定性的起源——这是一种当相邻的流体或气体层以不同速度运动时，在界面产生涡旋图案的普遍物理现象。太阳表面磁场的模拟图（右下）证实了这些过程确实会使磁元件的边界弯曲和变形。图片来源：NSF/NSO/AURA/HAO
对太阳大气和日冕加热之谜的影响
“开尔文-亥姆霍兹不稳定性很可能是一种有助于加热外层大气的机制，也是长期谜团——为什么恒星拥有百万开尔文高温日冕——的部分答案。”——美国国家太阳观测站首席技术专家 Thomas Rimmele 博士。
数据还显示，这种涡旋效应（KHI）能有效混合太阳表面的磁化和非磁化等离子体，促进磁场在整个太阳大气中的扩散和弥散。KHI产生的扩散是科学家构建模型以预测磁活动随时间变化（不仅针对太阳，也针对其他恒星）时的关键因素。
“太阳磁场由发电机过程产生，这些过程如同巨大的宇宙引擎，将恒星的旋转能量转化为磁场。然而，由于太阳磁周期只有11年，在宇宙尺度上是一个非常短暂的周期，因此产生的磁通量必须高效地耗散。当前模型难以解释这种快速扩散。我们在太阳光球层发现的开尔文-亥姆霍兹不稳定性可以作为这种缺失磁扩散的关键来源。”——美国国家太阳观测站天文学家 David Kuridze 博士。
科学家们现在正进入下一阶段分析，包括使用能够自动识别和研究这些涡旋图案的计算机程序——借助井上太阳望远镜的高分辨率数据。这一阶段的研究将有两个主要帮助：一是向科学家展示这些KHI能将多少能量输送到太阳高层大气并加热那里；二是帮助科学家弄清它们对太阳低层大气中磁场扩散的影响程度。
位于夏威夷毛伊岛的美国国家科学基金会丹尼尔·井上太阳望远镜，由NSF国家太阳观测站建造和管理。图片来源：NSF/NSO/AURA
“要理解影响地球的动态空间天气，我们必须看到驱动它的小尺度过程。几十年来，在如此微小的尺度上看到这些涡旋一直难以实现。通过将巨大的四米镜面与最先进的光学和仪器配对，NSF井上太阳望远镜提供了首次揭示这些超精细细节所需的分辨能力，使曾经遥不可及的发现成为可能。”——NSF国家太阳观测站项目主任 Jacqueline Keane 博士。
描述这项研究的论文题为《太阳上普遍存在的开尔文-亥姆霍兹不稳定性驱动等离子体混合》，现已发表于《自然》。
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美国国家科学基金会国家太阳观测站（NSF NSO）的使命是推动对太阳的认识——既作为天文学对象，也作为对地球最重要的外部影响来源——通过向研究界提供前沿的观测机会。
NSO建造并运营着世界上最全面的地基光学和红外太阳望远镜及辅助仪器——包括由六个全球站点组成的NSF-NOAA GONG网络，以及世界上最大的太阳望远镜——NSF丹尼尔·井上太阳望远镜——使太阳物理学家能够探测太阳的各个方面，从深厚的太阳内部到光球层、色球层、外层日冕，直至行星际空间。这些设施还为日球层建模、空间天气预报和恒星天体物理研究提供数据，使我们的太阳能够置于其他恒星及其环境的背景中理解。