帕克太陽探測器刷新人類對(duì)太陽的認(rèn)知

編譯 王格格

美國宇航局的帕克太陽探測器從太陽附近傳回了史無前例的數(shù)據(jù)，這些發(fā)現(xiàn)于2019年12月4日在《自然》雜志上發(fā)表，包括對(duì)太陽物質(zhì)的不斷外流和太陽風(fēng)行為的新理解。

2018年8月，美國宇航局（NASA）的帕克太陽探測器發(fā)射升空，不久就成為有史以來以最近距離飛掠太陽的航天器。帕克太陽探測器利用尖端的科學(xué)儀器測量飛船周圍的環(huán)境，已經(jīng)完成了計(jì)劃的24次掠日飛行其中的3次，穿越太陽大氣中從未被探測過的部分：日冕。2019年12月4日，《自然》雜志上發(fā)表了4篇新論文，描述了科學(xué)家在這場史無前例的探索中得到的研究結(jié)果，以及他們對(duì)下一步研究的期待。

這些發(fā)現(xiàn)揭示了有關(guān)遠(yuǎn)離太陽的物質(zhì)和粒子行為的新信息，有助于科學(xué)家們回答有關(guān)我們的恒星——太陽的基本物理問題。為了保護(hù)宇航員并發(fā)展空間技術(shù)，帕克所揭示的這些關(guān)于太陽如何不斷拋射物質(zhì)和能量的信息，將幫助科學(xué)家們重新修正目前用來理解和預(yù)測地球周圍空間天氣的模型，并理解恒星的形成和演化過程。

NASA華盛頓總部主管科學(xué)事務(wù)的副局長托馬斯?祖布?xì)J（Thomas Zurbuchen）說：“帕克的第一批數(shù)據(jù)以嶄新而出人意料的方式向我們揭示了太陽的奧秘。在更近的距離觀察太陽，給了我們前所未有的視角來看待重要的太陽現(xiàn)象及其對(duì)地球的影響，也為我們了解星系中活動(dòng)著的恒星提供了新的信息。這僅僅是太陽物理學(xué)令人難以置信的激動(dòng)時(shí)刻的開始，帕克是新發(fā)現(xiàn)的先鋒?！?/p>

雖然在我們看來，地球上似乎很平靜，但太陽卻一點(diǎn)也不平靜。太陽磁性活躍，有強(qiáng)烈的耀發(fā)現(xiàn)象，會(huì)釋放出大量接近光速運(yùn)動(dòng)的粒子和數(shù)十億噸重的磁化物質(zhì)云。所有的這些太陽活動(dòng)都會(huì)影響地球，將破壞性粒子注入我們的衛(wèi)星和宇航員飛行的空間，干擾通信和導(dǎo)航信號(hào)，甚至在活動(dòng)強(qiáng)烈的情形下會(huì)觸發(fā)停電事故。在太陽50億年的生命周期中，這些活動(dòng)一直在進(jìn)行，并將繼續(xù)影響地球和太陽系內(nèi)其他行星未來的命運(yùn)走向。

“太陽始終讓人類為之著迷，這貫穿了人類的整個(gè)存在。”馬里蘭州約翰霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（該實(shí)驗(yàn)室為NASA建設(shè)并管理這項(xiàng)任務(wù)）、帕克太陽探測器項(xiàng)目科學(xué)家努爾?拉烏阿菲（Nour E.Raouafi）說道：“過去幾十年，雖然我們對(duì)太陽有過很多了解，但我們真的需要像帕克太陽探測器進(jìn)入到太陽大氣，只有在那里我們才能真正了解這些復(fù)雜的太陽活動(dòng)過程中的細(xì)節(jié)。僅僅通過這三條掠日軌道，就已經(jīng)改變了我們對(duì)太陽的許多認(rèn)識(shí)?！?/p>

帕克太陽探測器觀測到了磁場折返現(xiàn)象，這是一個(gè)至今仍無法解釋的現(xiàn)象，可能有助于科學(xué)家發(fā)現(xiàn)更多關(guān)于太陽風(fēng)如何從太陽加速的信息

太陽上發(fā)生的一切對(duì)于理解它如何塑造我們周圍的空間至關(guān)重要。大多數(shù)逃離太陽的物質(zhì)都是太陽風(fēng)的一部分，太陽風(fēng)是太陽物質(zhì)的持續(xù)外流，整個(gè)太陽系都沐浴其中。這種被稱為等離子體的電離氣體攜帶著太陽的磁場，以跨度超過100億英里的巨大氣泡延伸穿行太陽系。

動(dòng)蕩太陽風(fēng)

在地球附近觀測，太陽風(fēng)是一種相對(duì)均勻的等離子體流，偶爾伴有湍流翻滾。但當(dāng)太陽風(fēng)到達(dá)地球時(shí)，它已經(jīng)穿行了9 000多萬英里——太陽加熱和加速太陽風(fēng)的確切機(jī)制的特征已經(jīng)消失了。那么靠近太陽風(fēng)的源頭，帕克太陽探測器看到了一幅截然不同的畫面：一個(gè)復(fù)雜而活躍的系統(tǒng)。

“當(dāng)我們最開始查看數(shù)據(jù)的時(shí)候，這種復(fù)雜性令人震驚，”帕克太陽探測器的FIELDS儀器套件（該套件研究電場和磁場的規(guī)模和形狀）負(fù)責(zé)人、加州大學(xué)伯克利分校的斯圖爾特?貝爾（Stuart Bale）說道，“現(xiàn)在我已經(jīng)習(xí)慣了，但當(dāng)我第一次向同事們展示結(jié)果時(shí)，他們都驚呆了。”貝爾解釋說，“從帕克距離太陽1 500萬英里的有利位置來看，太陽風(fēng)比我們?cè)诮乜吹降囊獎(jiǎng)邮幍枚??！?/p>

和太陽本身一樣，太陽風(fēng)也是由等離子體組成的，在等離子體中，帶負(fù)電的電子與帶正電的離子分離，形成了一片自由漂浮的粒子海洋，它們各自帶有獨(dú)立電荷。這些自由漂浮的粒子意味著等離子體攜帶著電場和磁場，而等離子體的變化往往會(huì)在這些磁場上留下印記。FIELDS儀器通過測量和仔細(xì)分析飛船周圍的電場和磁場隨時(shí)間的變化，以及測量附近等離子體波，來測量太陽風(fēng)的狀態(tài)。

這些測量結(jié)果顯示了磁場的快速逆轉(zhuǎn)以及突然快速移動(dòng)的物質(zhì)噴流——所有這些特征都使得太陽風(fēng)更加湍急。這些細(xì)節(jié)對(duì)于理解太陽風(fēng)在離開太陽并外流向整個(gè)太陽系過程中如何耗散能量至關(guān)重要。

其中一種事件特別吸引了科學(xué)團(tuán)隊(duì)的注意：磁場方向的翻轉(zhuǎn)，磁場從太陽流出，嵌入太陽風(fēng)中。這些“翻轉(zhuǎn)”被稱為“折返”，當(dāng)它們流過帕克太陽探測器時(shí)持續(xù)時(shí)間從幾秒到幾分鐘不等。在一次折返過程中，磁場會(huì)自動(dòng)折回，直到它幾乎直接指向太陽。由史密森天體物理天文臺(tái)管理，并由密歇根大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的太陽風(fēng)儀器套件，F(xiàn)IELDS和SWEAP，一起測量了帕克太陽探測器前兩次飛越過程中的一系列折返。

安娜堡密歇根大學(xué)的SWEAP（太陽風(fēng)電子α和質(zhì)子）首席研究員賈斯汀?卡斯帕（Justin Kasper）說：“自太空時(shí)代開始，人們就已經(jīng)在太陽風(fēng)中看到了波，我們離太陽越近，波會(huì)變得越強(qiáng)，但我們沒想到它們會(huì)組織成這些相干的結(jié)構(gòu)速度尖峰。我們正在探測從太陽拋入太空并劇烈改變氣流和磁場組織的結(jié)構(gòu)殘余。這將極大地改變我們關(guān)于日冕和太陽風(fēng)如何被加熱的理論?！?/p>

目前還不清楚這種折返的確切原因，但帕克太陽探測器的測量結(jié)果已經(jīng)使科學(xué)家們能夠排除一些可能性。

在許多從太陽源源不斷流出的粒子中，有一束持續(xù)快速移動(dòng)的電子，它們沿著太陽的磁力線進(jìn)入太陽系。這些電子總是嚴(yán)格地沿著從太陽移出的磁力線的形狀流動(dòng)，而不管這個(gè)特定區(qū)域的磁場北極是指向太陽還是遠(yuǎn)離太陽。但是帕克太陽探測器觀測到這些電子流朝著相反的方向流動(dòng)，并朝向太陽翻轉(zhuǎn)——這表明磁場本身一定朝向太陽彎曲，而不是帕克太陽探測器僅僅遇到了與太陽方向相反的磁力線。這表明這種折返是磁場中的扭結(jié)——是遠(yuǎn)離太陽過程中的局部擾動(dòng)，而不是從太陽出來時(shí)的磁場變化。

帕克太陽探測器的觀測表明，隨著飛船離太陽越來越近，這些折返事件將變得更為普遍。下一次的掠日時(shí)間是2020年1月29日，在這次任務(wù)中飛船會(huì)比以往任何一次都更接近太陽，因此可能對(duì)這一過程給出新的解釋。這些信息不僅有助于改變我們對(duì)太陽風(fēng)和周圍空間天氣成因的理解，也有助于我們理解恒星如何運(yùn)作以及它們?nèi)绾蜗蛲饨玑尫拍芰康幕具^程。

旋轉(zhuǎn)的太陽風(fēng)

帕克太陽探測器的一些測量結(jié)果使科學(xué)家們更加接近一些幾十年前就提出的問題的答案，其中一個(gè)問題就是太陽風(fēng)究竟是如何從太陽中流出的。

在地球附近，我們看到的太陽風(fēng)幾乎是徑向流動(dòng)的——意味著它直接從太陽流出來，向四面八方直射。但太陽在釋放太陽風(fēng)的同時(shí)也在旋轉(zhuǎn)，意味著太陽風(fēng)也會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)。這有點(diǎn)像孩子們騎在游樂場公園的旋轉(zhuǎn)木馬上——大氣隨太陽旋轉(zhuǎn)，就像旋轉(zhuǎn)木馬的外部旋轉(zhuǎn)一樣，但當(dāng)你離中心越遠(yuǎn)，你在空間中移動(dòng)的速度就越快。邊緣的孩子可能會(huì)掉出來，在那一點(diǎn)上，會(huì)以直線向外移動(dòng)，而不是繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。以此類見，太陽和地球之間存在某個(gè)點(diǎn)，使得太陽風(fēng)從沿著太陽旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯酉蛲饬鞒?，或者像我們從地球上看到的那樣呈放射狀?/p>

太陽風(fēng)從旋轉(zhuǎn)流轉(zhuǎn)變?yōu)橥昝赖膹较蛄鞯拇_切位置，會(huì)對(duì)太陽如何釋放能量產(chǎn)生影響。找到這一點(diǎn)可能有助于我們更好地理解其他恒星的生命周期或原行星盤的形成（原行星盤是圍繞年輕恒星的致密氣體和塵埃盤，最終會(huì)合并形成行星）。

現(xiàn)在，帕克太陽探測器首次能夠觀測到仍在旋轉(zhuǎn)的太陽風(fēng)，而不僅僅是我們?cè)诘厍蚋浇吹降哪欠N直線流。就好像帕克太陽探測器第一次直接看到在旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)木馬，而不僅僅是孩子們從旋轉(zhuǎn)木馬上掉下來。帕克太陽探測器的太陽風(fēng)儀器在距太陽2 000多萬英里處探測到了旋轉(zhuǎn)，隨著帕克接近其近日點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度會(huì)加快。環(huán)流的強(qiáng)度比許多科學(xué)家預(yù)測的要強(qiáng)，但它也比預(yù)測的更快地向外流轉(zhuǎn)變，這有助于消減對(duì)我們所處位置（距離太陽約9 300萬英里的地方）的影響。

卡斯帕說：“第一次掠日時(shí)所看到的太陽風(fēng)的巨大旋轉(zhuǎn)流確實(shí)令人驚奇。雖然我們希望最終能看到離太陽更近的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但我們?cè)诘谝淮温尤罩锌吹降母咚龠\(yùn)動(dòng)就比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的要快近10倍?！?/p>

太陽附近的塵埃

另一個(gè)接近答案的問題是難以捉摸的無塵區(qū)。我們的太陽系充斥著塵?！獢?shù)十億年前形成行星、小行星、彗星和其他天體的宇宙碰撞碎屑?？茖W(xué)家們長期以來一直懷疑，在靠近太陽的地方，這些塵埃會(huì)被強(qiáng)烈的太陽光加熱到高溫而變成氣體，由此在太陽周圍形成一個(gè)無塵區(qū)，但從來沒有人觀測到。

帕克太陽探測器的成像儀首次看到宇宙塵埃開始變薄。因?yàn)閃ISPR——由華盛頓特區(qū)海軍研究實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的帕克太陽探測器的成像儀器，可以看到飛船的側(cè)面，它可以看到廣泛的日冕和太陽風(fēng)，包括接近太陽的區(qū)域。這些圖像顯示，在距太陽700多萬英里的地方，塵埃開始變薄，而在距太陽400多萬英里的地方，塵埃持續(xù)減少，甚至達(dá)到WISPR所能測量的極限。

帕克太陽探測器看到的宇宙塵埃（如圖所示）散落在我們的太陽系中，在靠近太陽的地方開始變薄，支持了在太陽附近存在一個(gè)長期理論化的無塵區(qū)的想法

華盛頓特區(qū)海軍研究實(shí)驗(yàn)室WISPR套件的首席研究員羅斯?霍華德（Russ Howard）說：“無塵區(qū)是幾十年前預(yù)測的，但從未被探測到。我們現(xiàn)在可以看到太陽附近的塵埃發(fā)生了些什么。”

按照塵埃變薄的速率，科學(xué)家期望在距離太陽200～300萬英里遠(yuǎn)的地方看到一個(gè)真正的無塵區(qū)，這意味著帕克太陽探測器最早可能在2020年觀測到無塵區(qū)，屆時(shí)它的第六次掠日將比以往任何一次都更接近太陽。

洞察空間天氣

帕克太陽探測器的觀測結(jié)果為我們提供了對(duì)于兩種空間天氣事件的新視角：高能粒子風(fēng)暴和日冕物質(zhì)拋射。

微小的粒子——電子和離子，被太陽活動(dòng)加速，產(chǎn)生高能粒子風(fēng)暴。太陽活動(dòng)事件可以將這些粒子以接近光速的速度射入太陽系，這意味著它們可以在半小時(shí)內(nèi)到達(dá)地球，并在同樣短時(shí)間里影響其他星球。這些粒子攜帶著大量的能量，因此它們會(huì)損壞航天器電子設(shè)備，甚至危及宇航員性命，特別是對(duì)于那些在地球磁場保護(hù)范圍之外的深空宇航員，而這種粒子的預(yù)警時(shí)間很短以至于難以回避它們。

準(zhǔn)確理解這些粒子是如何被加速到如此高的速度至關(guān)重要。但即使它們?cè)诙潭處追昼妰?nèi)快速到達(dá)地球，這仍然足夠讓粒子失去最初的特征。帕克太陽探測器在幾百萬英里外繞著太陽旋轉(zhuǎn)，就可以在這些粒子離開太陽后測量它們，從而為理解它們?nèi)绾伪会尫盘峁┬碌木€索。

帕克太陽探測器的ISIS儀器已經(jīng)在普林斯頓大學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)下，測量了幾次前所未有的高能粒子事件，這些事件非常微弱，以至于在它們到達(dá)地球或我們的任何近地衛(wèi)星之前，所有的蹤跡都消失了。這些儀器還測量了一種罕見的粒子爆發(fā)，其中含有很多重元素，這表明這兩種類型的事件可能都比科學(xué)家先前認(rèn)為的更為常見。

普林斯頓大學(xué)ISIS套件的首席研究員大衛(wèi)?麥科馬斯（David McComas）說道：“這太神奇了，即使在太陽活動(dòng)最弱的情況下，依然產(chǎn)生了比我們想象中更多的微小高能粒子事件。這些測量將有助于我們闡釋太陽高能粒子的來源、加速和傳輸，并在未來更好地保護(hù)人造衛(wèi)星和宇航員?！?/p>

WISPR儀器的數(shù)據(jù)還提供了日冕和太陽風(fēng)中前所未有的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，包括日冕物質(zhì)拋射、太陽向太陽系拋射的數(shù)十億噸太陽物質(zhì)云。日冕物質(zhì)拋射可以在地球和其他星球上引發(fā)一系列的影響，從引發(fā)極光到引發(fā)電流，這些電流會(huì)損壞電網(wǎng)和管道。WISPR以其獨(dú)特的視角，在遠(yuǎn)離太陽的過程中觀察這些事件，為太陽活動(dòng)變化提供了新的線索。

霍華德說：“由于帕克太陽探測器與太陽自轉(zhuǎn)相匹配，我們可以觀察數(shù)天的物質(zhì)外流，并觀察結(jié)構(gòu)的演變。近地觀測使我們認(rèn)為，日冕中的精細(xì)結(jié)構(gòu)會(huì)形成一個(gè)平滑流，而事實(shí)并不是這樣。帕克太陽探測器提供的發(fā)現(xiàn)將有助于我們更好地模擬事件在太陽和地球之間的傳播方式?！?/p>

隨著帕克太陽探測器繼續(xù)其旅程，它將繼續(xù)向太陽靠近，最終將到達(dá)距離太陽表面僅383萬英里的三條軌道。

NASA總部太陽物理部主任尼古拉??？怂梗∟icola Fox）說：“太陽是我們能仔細(xì)觀察的唯一恒星。從源頭獲取數(shù)據(jù)已經(jīng)徹底改變了我們對(duì)太陽和宇宙中其他恒星的理解。我們的小飛船正在殘酷的環(huán)境中服役，不斷將令人驚奇和激動(dòng)的發(fā)現(xiàn)送回家?！?/p>

》》鏈接：

帕克太陽探測器是美國宇航局實(shí)施“與恒星共存”項(xiàng)目的一部分，該計(jì)劃旨在探索直接影響生命和社會(huì)的日地系統(tǒng)的各個(gè)方面?！芭c恒星共存”項(xiàng)目由位于馬里蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達(dá)德航天中心管理，其隸屬于華盛頓的美國宇航局科學(xué)任務(wù)管理局。約翰霍普金斯APL公司設(shè)計(jì)、建造并運(yùn)營飛船。帕克太陽探測器的前兩次掠日數(shù)據(jù)已在網(wǎng)上公開可以自行獲取。