利用光学望远镜观看太阳，有时我们会看见太阳表面存在一些或大或小暗黑的斑点，这就是太阳黑子，见图1。虽然在太阳表面看起来只是一些小小的斑点，事实上，一个中等黑子的空间尺度几乎和地球大小差不多。这里，我们不禁要问，太阳黑子为什么是暗黑的？

图1：可见光下观测的太阳黑子

人们通过观测发现，太阳黑子是光球上的低温区，在黑子中心的本影区，温度只有4000℃左右，比附近光球温度（约5700℃）低了一千多度。所以，黑子其实并不黑，只是因为它的温度比光球低，在明亮的光球背景下显得暗黑。那么，为什么黑子区的温度会比它们周围低呢？

1908年，美国天文学家J. E. Hale利用人们刚刚发现的塞曼效应观测太阳，发现太阳黑子本影的磁场强度高达1000-4500高斯，最高值甚至达到了6250高斯。而且磁力线呈轴对称分布，本影的磁力线垂直于日面，黑子半影区逐渐趋于水平。图2给出了Rempel等人利用辐射磁流体力学模拟给出的太阳黑子内部的结构特征^[1]。于是，人们提出了一种关于太阳黑子为什么黑的解释：黑子内部的强磁场抑制了光球内部的对流，导致太阳内部的热流不能顺畅地从太阳内部向上传输到太阳表面，所以这里温度变低，看起来比较暗黑。这一解释的代表性文献便是Cowling于1974年发表在英国皇家天文学会刊上^[2]。

图2：Rempel等人利用辐射磁流体力学模拟给出的太阳黑子内部的结构特征^[1]

对流抑制说是目前多数天文学家所接受的一种经典解释。然而，这里却存在两个疑问：

（1） 在温度不到6000℃的光球层附近，气体是弱电离的，电离度远小于1%，超过99%的粒子都是电中性的原子，这些中性原子并不受磁场约束，它们的对流也不受黑子强磁场的抑制，这里怎么会变冷呢？

（2）即使是那不到1%的电离粒子在强磁场中的输运也是有很强的方向性的：在垂直于磁场方向的输运系数远大于平行磁场方向，因此，在垂直磁场的横向对流会受到强抑制，但是在平行于磁场的纵向对流则几乎不受抑制。观测结果和数值模拟都表明，黑子内部的磁力线几乎都是垂直向上的，这里的强磁场对从太阳内部向上的纵向对流并没有很强的抑制，太阳内部的热流是可以沿着黑子的磁通道向上传输的，那它怎么会变冷变黑呢？

图3：在磁场梯度抽运作用下，太阳黑子变冷变暗^[4]

我们知道，从太阳黑子区往上到色球、过渡区、再到日冕，磁场是逐渐降低的，存在一个向下的磁场梯度。2014年本人提出磁场梯度抽运机制用于解释日冕加热这一现代天文学中的难题（简称MGP机制）^[3]。把MGP机制应用到太阳黑子情形，可以发现黑子区的富能粒子必然会被向上抽运而逃离光球表面，而能量低的粒子则被约束在低层大气中。黑子区因富能粒子逃逸而导致粒子平均热动能降低和温度降低，光球表面变暗；黑子区上空的过渡区和日冕则因为富能粒子聚集而变亮，见图3所示，这与实际观测基本吻合。而且，利用MGP理论计算表明，在典型参数条件下，太阳黑子本影区的温度可以降低到4500℃左右^[4]，这与大多数情况下的观测结果也大致吻合。可见，磁场梯度抽运很可能就是太阳黑子变冷变暗的根本原因。

顺便说一句，MGP机制或许是除了磁重联和波动这两类经典机制外，普遍发生在太阳和恒星大气中的另一种重要的物理机制。

参考文献

[1] Rempel M., Schussler M., Knolker M., 2009, ApJ, 691:640

[2] Cowling T.G., 1974, MNRAS, 177:409

[3] Tan B.L., 2014, ApJ, 795:140

[4] Tan B.L., Yan Y., Li T., et al. 2020, RAA, 20:90