自转是所有恒星的内禀属性。恒星的自转速度和规律对恒星的形成、结构与演化以及恒星大气与行星际空间的相互作用，都有至关重要的影响。因此，探测恒星自转的规律，是现代天文学观测的基本目的之一。恒星是一个巨大的等离子体（电离的气体）球体，它的自转不是刚性的，不同部分的自转存在差异性，称为较差自转。但是，对于普通的恒星，由于距离地球十分遥远，科学家只能通过其光变曲线来推测它整体的自转情况，无法了解自转速度的分布细节。太阳是唯一一颗可实现高空间分辨率观测的恒星，是研究恒星自转的重要标本。与大多数恒星一样，太阳的结构从里到外可分为核心区、辐射区、对流区和大气层。经过几十年的探测，科学家基本确立了有关太阳自转的两个重要规律：一是从辐射区到对流区的过渡区域（约0.7个太阳半径处），自转速度存在明显变化，这种剪切运动导致磁场的产生，即为太阳发电机；二是自转速度从赤道向两极区域逐渐递减，这种变化导致太阳磁场从极向场到环向场的转换。太阳活动11年的周期性变化本质上是太阳发电机和较差自转相互作用的结果。然而，对于太阳表面的大气层，它的自转速度的变化规律，特别是随高度是如何变化的，至今没有确切的定论。太阳大气层是探测器能直接观测到的层次，也是太阳活动和太阳风的源区，对日地空间和地球环境起着决定性的作用。最近，南京大学“羲和号”卫星团队利用其独特的多谱线、全日面、高精度的观测数据针对该问题做了深入、细致的探索，得到了比较确切的答案。
图1. 太阳大气由光球层底部到色球层不同高度处的多普勒速度图
“羲和号”是我国首颗太阳探测科学技术试验卫星，在国际上首次实现了太阳Hα波段光谱成像的空间观测。它可以同时获取多条谱线的精细结构，包括Si I（6560.58 Å）、Fe I（6569.21 Å）和Hα（6562.81 Å）谱线。这些谱线形成在太阳大气从较低的光球层底部至较高的色球高层的不同层次。利用这些谱线的高精度观测，再运用谱线形成的反演方法，可以精确地推导太阳大气不同层次的多普勒速度场。这相当于“羲和号”为整个太阳大气做了一次全方位的扫描，由此得到了国际上首个太阳大气多层次多普勒速度图。据此不但能检验自转速度随不同纬度的变化，而且可以寻找其随高度的变化规律。图1的结果清晰地显示，太阳自转速度自赤道向极区逐渐降低的规律在太阳大气各个层次都存在。更精确的分析发现，太阳大气的自转速度随着高度有明显增加的趋势，如图2所示。这与直观认识是相悖的，因为如果高层大气的转动是由低层大气的粘滞效应带动的，那么自转速度应该随高度而逐渐降低。
图2. 太阳大气自转速度随高度和纬度的分布
进一步的研究发现，这种反常的自转现象是由无处不在的小尺度磁场结构及其与太阳大气的“磁冻结”效应造成的。与大尺度磁场不同，这些小尺度磁场形成于近表面的速度剪切层（0.95–1个太阳半径处），该层次相比于太阳大气具有较快的自转速度。由于光球层电离度较低，密度较高，“磁冻结”效应不明显，因而这些小尺度磁场对太阳大气的拖曳能力较差；而在色球层及更高层的太阳大气，电离度较高，“磁冻结”效应显著增强，磁场得以更高效地拖拽太阳大气，使这些层次的自转速度明显快于光球层。图3展示了色球速度场与磁场的空间分布比较。可以看到二者具有很好的相关性，验证了小尺度磁场与色球大气存在强冻结效应。
图3. 太阳色球多普勒速度场与视向磁场分布的对应关系
该项科学发现对理解太阳发电机、太阳大气加热、太阳自转的长期变化带来重要的观测证据。小尺度磁场很可能产生于对流区的较浅层次，不同于大尺度磁场（如太阳黑子）产生于对流区的底部，因此一个完整的发电机模型必须包含足够大的深度范围，才能全面解释不同尺度的磁场分布。不同高度存在不同程度的磁冻结效应，意味着离子与中性粒子的相互作用也不同，太阳大气的加热模型需要考虑这个因素。太阳高层大气的较快的自转速度，意味着太阳风损失的角动量不可小视，这对太阳自转起到了“制动”作用，因此随着年龄增大太阳自转会逐渐减慢。相关成果以“Height-dependent differential rotation of the solar atmosphere detected by CHASE”为题近日在国际著名期刊《Nature Astronomy》在线发表。南京大学博士研究生饶世豪同学为论文的第一作者，李川教授、丁明德教授为论文的通讯作者，方成院士对论文做了重要指导。南京大学“羲和号”团队、中科院云南天文台、上海航天技术研究院相关科研人员参与了本工作。本工作得到了国家自然科学基金重点项目（12333009）、国家航天局民用航天技术预先研究项目（D050101）等的支持。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41550-024-02299-4“羲和号”卫星于2021年10月14日发射升空，目前正稳定地在轨运行，对太阳大气和太阳活动进行密切的监视，详细信息可见南京大学太阳科学数据中心（https://ssdc.nju.edu.cn）。“羲和号”高质量的观测数据引起了广泛关注，国内外多家科研机构利用”羲和号“数据开展研究，产生了一批重要的科学成果。国际著名天文学期刊《The Astrophysical Journal Letters》专门发表热点专辑，报道“羲和号”首批科学成果（https://iopscience.iop.org/collections/Focus-on-Early-Results-from-CHASE），这是中国天文观测设备首次在ApJ系列刊物上以专辑形式发表研究成果。
“羲和号”卫星示意图
