我们最近的恒星仍然是个谜。大约每 11 年，它的活动就会达到顶峰，产生耀斑和日冕物质抛射——喷射等离子体的爆发，向地球倾泻带电粒子和美丽的极光——然后逐渐减弱。所谓的太阳极大期会逐渐减弱到太阳极小期，太阳表面变得异常平静。
几个世纪以来，科学家们一直在研究这种潮起潮落，但直到 20 世纪中期太空时代黎明时才开始了解其对我们星球的影响。现在很明显，在太阳极大期附近，太阳更有可能用带电粒子轰击地球，这些粒子会损坏卫星和电网。太阳周期在气候中也起着次要作用，因为辐照度的变化会导致平均海面温度和降水模式的轻微变化。因此，更好地了解太阳周期的物理驱动因素对于地球上的可持续生活至关重要。
然而，科学家仍然缺乏一个能够完美预测太阳周期关键细节的模型，例如每个阶段的确切持续时间和强度。“我认为太阳周期如此稳定和清晰，以至于我们遗漏了一些基本的东西，”马萨诸塞大学洛厄尔分校的太阳物理学家奥弗·科恩说。他说，弄清楚这一点的障碍之一是，太阳周期背后明显机制的关键细节——例如太阳的磁场——在很大程度上对我们来说是隐藏的。但这可能即将改变。
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俄亥俄州立大学的天文学家蒂姆·林登和他的同事最近绘制了太阳的高能光芒随时间如何在太阳表面跳舞的图。他们发现这些高能辐射、太阳波动的磁场和太阳周期的时机之间存在潜在联系。许多专家认为，这可以打开一扇新的窗口，了解我们最近、最熟悉的恒星的内部运作。
在他们即将发表的研究中，到目前为止已在预印本服务器arXiv上发布，并已提交给《物理评论快报》，林登和他的同事们研究了来自NASA 的费米伽马射线太空望远镜的十年数据，以便更好地分析太阳发射的伽马射线——宇宙中最强大的电磁辐射形式。令他们惊讶的是，研究人员发现最强烈的伽马射线似乎与太阳周期最平静的部分奇怪地同步。在上次太阳极小期，从 2008 年到 2009 年，费米探测到太阳发射了八条高能伽马射线（每条的能量都大于 100 千兆电子伏特，或 GeV）。但在接下来的八年中，随着太阳活动达到顶峰，然后又恢复到平静，太阳根本没有发射任何高能伽马射线。林登说，这种情况随机发生的几率极低。伽马射线很可能是由太阳活动周期的某些方面触发的，但细节仍然不清楚。
该团队推测，这些伽马射线很可能是由强大的宇宙射线撞击太阳表面时发射的，这些宇宙射线是在整个宇宙中由超新星和碰撞的中子星等剧烈的宇宙物理事件产生的。如果单个宇宙射线与太阳大气中的一个粒子碰撞，它会产生次级粒子和辐射的级联，包括伽马射线。然而，这种级联通常会被太阳完全吸收。但根据 1990 年代的一个假设，这些次级级联中的一些可以通过太阳磁场的强烈波动反弹出去并远离我们的恒星。如果发生这种情况，费米一直在探测到的伽马射线很可能是那些高能逃逸粒子。
亚利桑那大学一位没有参与这项研究的退休天文学家兰迪·乔基皮说，如果这种解释是正确的，那么高能伽马射线更有可能在太阳极小期发射也就不足为奇了。他说，当太阳周期处于低谷时，其向外发出的带电粒子“风”减少，这些粒子充当偏转入射宇宙射线的屏障。这种减少允许更多的宇宙射线进入我们的太阳系，也进入我们的恒星本身。因此，宇宙射线的增加应该会导致伽马射线的增加。
但是林登和他的同事们还发现了一个完全出乎早期想法意料的奇怪现象：在太阳极小期，大多数高于 50 GeV 的伽马射线都发射在太阳赤道附近，但在周期的其余时间里，它们往往来自极地地区。这意味着太阳的总伽马射线发射在太阳极小期时沿赤道最强烈，在极大期时在两极最强烈。为了可视化这一点，想象一下看着一个磨砂玻璃罐子里的一群萤火虫。如果最亮的萤火虫聚集在容器的中心附近，那么它的光芒在那里会最鲜艳，即使较多的较暗萤火虫遍布容器的周围。这种情况有点类似于太阳在太阳极小期期间的伽马射线发射。但是，如果最亮的萤火虫反而聚集在罐子的底部和顶部，那么它的光芒就会在这些点达到顶峰。这类似于太阳极大期。
伽马射线发射的这种极点/赤道转移的原因仍然未知。“我试图找到一种解释，而我得出的结论是——这是我一生中为数不多的几次之一——完全没有任何解释，”乔基皮说。但同样没有参与这项研究的科恩指出，这种转移确实与观察到的太阳黑子的运动相对应。太阳表面的这些黑色斑点标志着强烈的内部磁活动，并且很像新观察到的伽马射线发射，它们随着太阳向太阳极大期发展而从赤道向两极移动。科恩指出这些趋势可能匹配，但他表示目前无法解释原因。同样没有参与这项研究的斯坦福大学天文学家伊戈尔·莫斯卡连科也认为没有明显的解释。
一条线索可能来自一个奇怪的相关性：虽然在一年多一点的时间里观察到了八条大于 100 GeV 的高能伽马射线，但其中两条是在彼此相隔数小时内探测到的，并且与日冕物质抛射同时发生——“这是一个惊人的巧合，”林登说。当他意识到这一点时，他决定优先查看最后几个月可用的费米数据，结果发现还有另一条高能伽马射线是在另一次日冕物质抛射的同时发射的。“这绝对是一个‘哇’的时刻，”他说，即使它并不能证明这两种现象是相关的。其他六条高能伽马射线并没有与抛射同时发生，而抛射主要发生在太阳极大期。因此，它们可能只在太阳极小期发生时才发射高能伽马射线这一事实将构成一个相当大的难题。林登说，然而，这种潜在的联系可能只是解决方案的一部分——要澄清这些推测，还需要做更多的工作。
尽管如此，林登很高兴看到自最新的太阳极大期在 2013 年和 2014 年产生八年平静期以来，首次发射了高能伽马射线。他指出，“这可能表明未来几年对于这类科学来说将会非常令人兴奋。”他计划每天搜索费米数据，以寻找进一步的爆发，并与合作者合作，从墨西哥的HAWC 观测站和 NASA 即将到来的帕克太阳探测器（它将比以往任何时候都更接近太阳）获取新数据。“我们真的希望能够获得更多数据，并在这里看到新的物理学，”他说。
因此，当太阳蜿蜒返回太阳极小期时，天文学家正准备研究其伽马射线，希望它们能揭示其神秘的内部结构。尽管林登和他的同事们还无法确切解释为什么或如何伽马射线发射与太阳磁场同步移动，但越来越清楚的是，两者之间以某种方式联系在一起。莫斯卡连科认为，伽马射线发射可以用来追踪太阳的深层磁场——并有可能最终解决太阳周期挥之不去的谜团。
“这是一个我们已经知道几个世纪的难题，但我们不知道如何解决它，”莫斯卡连科说。“也许这篇论文和未来的研究将提供一些关于如何解释它的线索。”