我們最近的恆星仍然是個謎。大約每 11 年，它的活動就會達到頂峰，產生耀斑和日冕物質拋射——噴射等離子體的爆發，向地球傾瀉帶電粒子和美麗的極光——然後逐漸減弱。所謂的太陽極大期會逐漸減弱到太陽極小期，太陽表面變得異常平靜。
幾個世紀以來，科學家們一直在研究這種潮起潮落，但直到 20 世紀中期太空時代黎明時才開始瞭解其對我們星球的影響。現在很明顯，在太陽極大期附近，太陽更有可能用帶電粒子轟擊地球，這些粒子會損壞衛星和電網。太陽週期在氣候中也起著次要作用，因為輻照度的變化會導致平均海面溫度和降水模式的輕微變化。因此，更好地瞭解太陽週期的物理驅動因素對於地球上的可持續生活至關重要。
然而，科學家仍然缺乏一個能夠完美預測太陽週期關鍵細節的模型，例如每個階段的確切持續時間和強度。“我認為太陽週期如此穩定和清晰，以至於我們遺漏了一些基本的東西，”馬薩諸塞大學洛厄爾分校的太陽物理學家奧弗·科恩說。他說，弄清楚這一點的障礙之一是，太陽週期背後明顯機制的關鍵細節——例如太陽的磁場——在很大程度上對我們來說是隱藏的。但這可能即將改變。
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俄亥俄州立大學的天文學家蒂姆·林登和他的同事最近繪製了太陽的高能光芒隨時間如何在太陽表面跳舞的圖。他們發現這些高能輻射、太陽波動的磁場和太陽週期的時機之間存在潛在聯絡。許多專家認為，這可以開啟一扇新的視窗，瞭解我們最近、最熟悉的恆星的內部運作。
在他們即將發表的研究中，到目前為止已在預印本伺服器arXiv上釋出，並已提交給《物理評論快報》，林登和他的同事們研究了來自NASA 的費米伽馬射線太空望遠鏡的十年資料，以便更好地分析太陽發射的伽馬射線——宇宙中最強大的電磁輻射形式。令他們驚訝的是，研究人員發現最強烈的伽馬射線似乎與太陽週期最平靜的部分奇怪地同步。在上次太陽極小期，從 2008 年到 2009 年，費米探測到太陽發射了八條高能伽馬射線（每條的能量都大於 100 千兆電子伏特，或 GeV）。但在接下來的八年中，隨著太陽活動達到頂峰，然後又恢復到平靜，太陽根本沒有發射任何高能伽馬射線。林登說，這種情況隨機發生的機率極低。伽馬射線很可能是由太陽活動週期的某些方面觸發的，但細節仍然不清楚。
該團隊推測，這些伽馬射線很可能是由強大的宇宙射線撞擊太陽表面時發射的，這些宇宙射線是在整個宇宙中由超新星和碰撞的中子星等劇烈的宇宙物理事件產生的。如果單個宇宙射線與太陽大氣中的一個粒子碰撞，它會產生次級粒子和輻射的級聯，包括伽馬射線。然而，這種級聯通常會被太陽完全吸收。但根據 1990 年代的一個假設，這些次級級聯中的一些可以透過太陽磁場的強烈波動反彈出去並遠離我們的恆星。如果發生這種情況，費米一直在探測到的伽馬射線很可能是那些高能逃逸粒子。
亞利桑那大學一位沒有參與這項研究的退休天文學家蘭迪·喬基皮說，如果這種解釋是正確的，那麼高能伽馬射線更有可能在太陽極小期發射也就不足為奇了。他說，當太陽週期處於低谷時，其向外發出的帶電粒子“風”減少，這些粒子充當偏轉入射宇宙射線的屏障。這種減少允許更多的宇宙射線進入我們的太陽系，也進入我們的恆星本身。因此，宇宙射線的增加應該會導致伽馬射線的增加。
但是林登和他的同事們還發現了一個完全出乎早期想法意料的奇怪現象：在太陽極小期，大多數高於 50 GeV 的伽馬射線都發射在太陽赤道附近，但在週期的其餘時間裡，它們往往來自極地地區。這意味著太陽的總伽馬射線發射在太陽極小期時沿赤道最強烈，在極大期時在兩極最強烈。為了視覺化這一點，想象一下看著一個磨砂玻璃罐子裡的一群螢火蟲。如果最亮的螢火蟲聚集在容器的中心附近，那麼它的光芒在那裡會最鮮豔，即使較多的較暗螢火蟲遍佈容器的周圍。這種情況有點類似於太陽在太陽極小期期間的伽馬射線發射。但是，如果最亮的螢火蟲反而聚集在罐子的底部和頂部，那麼它的光芒就會在這些點達到頂峰。這類似於太陽極大期。
伽馬射線發射的這種極點/赤道轉移的原因仍然未知。“我試圖找到一種解釋，而我得出的結論是——這是我一生中為數不多的幾次之一——完全沒有任何解釋，”喬基皮說。但同樣沒有參與這項研究的科恩指出，這種轉移確實與觀察到的太陽黑子的運動相對應。太陽表面的這些黑色斑點標誌著強烈的內部磁活動，並且很像新觀察到的伽馬射線發射，它們隨著太陽向太陽極大期發展而從赤道向兩極移動。科恩指出這些趨勢可能匹配，但他表示目前無法解釋原因。同樣沒有參與這項研究的斯坦福大學天文學家伊戈爾·莫斯卡連科也認為沒有明顯的解釋。
一條線索可能來自一個奇怪的相關性：雖然在一年多一點的時間裡觀察到了八條大於 100 GeV 的高能伽馬射線，但其中兩條是在彼此相隔數小時內探測到的，並且與日冕物質拋射同時發生——“這是一個驚人的巧合，”林登說。當他意識到這一點時，他決定優先檢視最後幾個月可用的費米資料，結果發現還有另一條高能伽馬射線是在另一次日冕物質拋射的同時發射的。“這絕對是一個‘哇’的時刻，”他說，即使它並不能證明這兩種現象是相關的。其他六條高能伽馬射線並沒有與拋射同時發生，而拋射主要發生在太陽極大期。因此，它們可能只在太陽極小期發生時才發射高能伽馬射線這一事實將構成一個相當大的難題。林登說，然而，這種潛在的聯絡可能只是解決方案的一部分——要澄清這些推測，還需要做更多的工作。
儘管如此，林登很高興看到自最新的太陽極大期在 2013 年和 2014 年產生八年平靜期以來，首次發射了高能伽馬射線。他指出，“這可能表明未來幾年對於這類科學來說將會非常令人興奮。”他計劃每天搜尋費米資料，以尋找進一步的爆發，並與合作者合作，從墨西哥的HAWC 觀測站和 NASA 即將到來的帕克太陽探測器（它將比以往任何時候都更接近太陽）獲取新資料。“我們真的希望能夠獲得更多資料，並在這裡看到新的物理學，”他說。
因此，當太陽蜿蜒返回太陽極小期時，天文學家正準備研究其伽馬射線，希望它們能揭示其神秘的內部結構。儘管林登和他的同事們還無法確切解釋為什麼或如何伽馬射線發射與太陽磁場同步移動，但越來越清楚的是，兩者之間以某種方式聯絡在一起。莫斯卡連科認為，伽馬射線發射可以用來追蹤太陽的深層磁場——並有可能最終解決太陽週期揮之不去的謎團。
“這是一個我們已經知道幾個世紀的難題，但我們不知道如何解決它，”莫斯卡連科說。“也許這篇論文和未來的研究將提供一些關於如何解釋它的線索。”