数百名大学生如何帮助解决有关太阳的百年之谜

一支由 1,000 多名天文学家和大学生组成的团队距离解决天文学界一个长期未解之谜又近了一步：为什么太阳的外层，也就是日冕，如此热得离谱？太阳表面温度为 10,000°F，但在一千英里高处，太阳日冕的耀斑温度却比太阳表面高出数百倍。这就像穿过房间躲避一个过热的空间加热器，但远离热源的地方你却感觉更暖和而不是更冷，这完全出乎意料。

研究小组利用数百次太阳耀斑观测数据（太阳表面大量热等离子体喷发）来确定太阳日冕的加热原因，研究结果于 5 月 9 日发表在《天体物理学杂志》上。然而，这一结果真正令人震惊的是他们是如何做到的：借助数百名在科罗拉多大学上物理课的本科生，多年来总共投入了 56,000 小时的工作时间。

约翰霍普金斯应用物理实验室的研究科学家和工程师、该研究的主要作者詹姆斯·保罗·梅森 (James Paul Mason) 称这是一个“三赢局面”。他补充道：“我们能够利用大量的智力并将其应用于真正的科学挑战，学生们可以亲身了解科学过程是什么样的。”

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这个课堂项目始于 2020 年，当时科罗拉多大学物理学教授 Heather Lewandowski 正在教一门实验物理课，由于新冠疫情，这门课突然不得不转到线上授课——这是一个相当大的挑战，尤其是对于一门实践性很强的科学课程来说。幸运的是，Mason 想出了一个太阳耀斑项目，需要很多人手参与，而 Lewandowski 通常研究的是完全不同的量子力学主题，她认为这对她的学生来说是一个机会。

“为什么日冕比太阳‘表面’热得多，这是太阳物理学中悬而未决的主要问题之一，”莱万多夫斯基说。对于这一困境，即日冕加热问题，有两种主要解释。一种理论认为，太阳超大磁场中的波将热量推入日冕。另一种理论认为，看不见的小型太阳耀斑（称为纳米耀斑）加热了日冕，就像用一千根火柴代替一个大喷灯一样。

纳米耀斑太小，我们的望远镜无法观测到，但通过研究其他较大耀斑的大小，科学家可以估计这些小辐射爆发的普遍性。尽管人工智能每天都在进步，但自动化程序还无法进行梅森和莱万多夫斯基需要的那种分析。莱万多夫斯基班上的学生小组分别使用了不同太阳耀斑的数据，深入研究细节，以测量每个耀斑向日冕倾注了多少能量。总之，他们的结果表明，纳米耀斑可能不足以将日冕加热到我们看到的极端温度。

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然而，科学成果只是新闻的一半。莱万多夫斯基和梅森开创了一种将真实研究带入课堂的新方法，让学生不仅可以学习科学，还可以自己动手。这种大规模的学生研究工作在生物学和化学中更为常见，但在物理学中却几乎闻所未闻——直到现在。莱万多夫斯基说：“学生参与了研究的各个方面，从文献综述、与首席研究员的会面、提案阶段、数据分析到同行对他们分析的评审。”许多学生的参与以及他们以小组形式开展的工作也提醒人们，“科学本质上是一种协作努力”，她补充道。

“我希望我们能激励一些教授在课堂上尝试这种方法，”梅森说。“我很期待看到他们能取得什么样的成果。”