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)象及其對地球的影響，也為我們了解星系中活動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時刻的開始，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，但太陽卻一點也不平靜。太陽磁性活躍，有強(qiáng)烈的耀發(fā)現(xiàn)象，會釋放出大量接近光速運動的粒子和數(shù)十億噸重的磁化物質(zhì)云。所有的這些太陽活動都會影響地球，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，甚至在活動強(qiáng)烈的情形下會觸發(fā)停電事故。在太陽50億年的生命周期中，這些活動一直在進(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走向。

“太陽始終讓人類為之著迷，這貫穿了人類的整個存在?！瘪R里蘭州約翰霍普金斯應(yīng)用物理實驗室（該實驗室為NASA建設(shè)并管理這項任務(wù)）、帕克太陽探測器項目科學(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)改變了我們對太陽的許多認(rèn)識?！?/p>

帕克太陽探測器觀測到了磁場折返現(xiàn)象，這是一個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。

動蕩太陽風(fēng)

在地球附近觀測，太陽風(fēng)是一種相對均勻的等離子體流，偶爾伴有湍流翻滾。但當(dāng)太陽風(fēng)到達(dá)地球時，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，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)比我們在近地看到的要動蕩得多?！?/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)對于理解太陽風(fēng)在離開太陽并外流向整個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持續(xù)時間從幾秒到幾分鐘不等。在一次折返過程中，磁場會自動折回，直到它幾乎直接指向太陽。由史密森天體物理天文臺管理，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，波會變得越強(qiáng)，但我們沒想到它們會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，而不管這個特定區(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，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，而不是從太陽出來時的磁場變化。

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。下一次的掠日時間是2020年1月29日，在這次任務(wù)中飛船會比以往任何一次都更接近太陽，因此可能對這一過程給出新的解釋。這些信息不僅有助于改變我們對太陽風(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)的同時也在旋轉(zhuǎn)，意味著太陽風(fēng)也會隨之旋轉(zhuǎn)。這有點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)，你在空間中移動的速度就越快。邊緣的孩子可能會掉出來，在那一點上，會以直線向外移動，而不是繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。以此類見，太陽和地球之間存在某個點，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，會對太陽如何釋放能量產(chǎn)生影響。找到這一點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)，而不僅僅是我們在地球附近看到的那種直線流。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，旋轉(zhuǎn)的速度會加快。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：“第一次掠日時所看到的太陽風(fēng)的巨大旋轉(zhuǎn)流確實令人驚奇。雖然我們希望最終能看到離太陽更近的旋轉(zhuǎn)運動，但我們在第一次掠日中看到的高速運動就比標(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。因為WISPR——由華盛頓特區(qū)海軍研究實驗室領(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長期理論化的無塵區(qū)的想法

華盛頓特區(qū)海軍研究實驗室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?！?/p>

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，被太陽活動加速，產(chǎn)生高能粒子風(fēng)暴。太陽活動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內(nèi)到達(dá)地球，并在同樣短時間里影響其他星球。這些粒子攜帶著大量的能量，因此它們會損壞航天器電子設(shè)備，甚至危及宇航員性命，特別是對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。但即使它們在短短幾分鐘內(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，這些電流會損壞電網(wǎng)和管道。WISPR以其獨特的視角，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)會形成一個平滑流，而事實并不是這樣。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施“與恒星共存”項目的一部分，該計劃旨在探索直接影響生命和社會的日地系統(tǒng)的各個方面。“與恒星共存”項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、建造并運營飛船。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。