帕克太陽探測器刷新人類對太陽的認知

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據，這些發現于2019年12月4日在《自然》雜志上發表，包括對太陽物質的不斷外流和太陽風行為的新理解。

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儀器測量飛船周圍的環境，已經完成了計劃的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》雜志上發表了4篇新論文，描述了科學家在這場史無前例的探索中得到的研究結果，以及他們對下一步研究的期待。

這些發現揭示了有關遠離太陽的物質和粒子行為的新信息，有助于科學家們回答有關我們的恒星——太陽的基本物理問題。為了保護宇航員并發展空間技術，帕克所揭示的這些關于太陽如何不斷拋射物質和能量的信息，將幫助科學家們重新修正目前用來理解和預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事務的副局長托馬斯?祖布欽（Thomas Zurbuchen）說：“帕克的第一批數據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令人難以置信的激動時刻的開始，帕克是新發現的先鋒。”

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，有強烈的耀發現象，會釋放出大量接近光速運動的粒子和數十億噸重的磁化物質云。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星和宇航員飛行的空間，干擾通信和導航信號，甚至在活動強烈的情形下會觸發停電事故。在太陽50億年的生命周期中，這些活動一直在進行，并將繼續影響地球和太陽系內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。”馬里蘭州約翰霍普金斯應用物理實驗室（該實驗室為NASA建設并管理這項任務）、帕克太陽探測器項目科學家努爾?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入到太陽大氣，只有在那里我們才能真正了解這些復雜的太陽活動過程中的細節。僅僅通過這三條掠日軌道，就已經改變了我們對太陽的許多認識。”

帕克太陽探測器觀測到了磁場折返現象，這是一個至今仍無法解釋的現象，可能有助于科學家發現更多關于太陽風如何從太陽加速的信息

太陽上發生的一切對于理解它如何塑造我們周圍的空間至關重要。大多數逃離太陽的物質都是太陽風的一部分，太陽風是太陽物質的持續外流，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

在地球附近觀測，太陽風是一種相對均勻的等離子體流，偶爾伴有湍流翻滾。但當太陽風到達地球時，它已經穿行了9 000多萬英里——太陽加熱和加速太陽風的確切機制的特征已經消失了。那么靠近太陽風的源頭，帕克太陽探測器看到了一幅截然不同的畫面：一個復雜而活躍的系統。

“當我們最開始查看數據的時候，這種復雜性令人震驚，”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模和形狀）負責人、加州大學伯克利分校的斯圖爾特?貝爾（Stuart Bale）說道，“現在我已經習慣了，但當我第一次向同事們展示結果時，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，太陽風比我們在近地看到的要動蕩得多。”

和太陽本身一樣，太陽風也是由等離子體組成的，在等離子體中，帶負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，來測量太陽風的狀態。

這些測量結果顯示了磁場的快速逆轉以及突然快速移動的物質噴流——所有這些特征都使得太陽風更加湍急。這些細節對于理解太陽風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重要。

其中一種事件特別吸引了科學團隊的注意：磁場方向的翻轉，磁場從太陽流出，嵌入太陽風中。這些“翻轉”被稱為“折返”，當它們流過帕克太陽探測器時持續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，并由密歇根大學領導的太陽風儀器套件，FIELDS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。

安娜堡密歇根大學的SWEAP（太陽風電子α和質子）首席研究員賈斯汀?卡斯帕（Justin Kasper）說：“自太空時代開始，人們就已經在太陽風中看到了波，我們離太陽越近，波會變得越強，但我們沒想到它們會組織成這些相干的結構速度尖峰。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構殘余。這將極大地改變我們關于日冕和太陽風如何被加熱的理論。”

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果已經使科學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，有一束持續快速移動的電子，它們沿著太陽的磁力線進入太陽系。這些電子總是嚴格地沿著從太陽移出的磁力線的形狀流動，而不管這個特定區域的磁場北極是指向太陽還是遠離太陽。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——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——是遠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如何向外界釋放能量的基本過程。

旋轉的太陽風

帕克太陽探測器的一些測量結果使科學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的同時也在旋轉，意味著太陽風也會隨之旋轉。這有點像孩子們騎在游樂場公園的旋轉木馬上——大氣隨太陽旋轉，就像旋轉木馬的外部旋轉一樣，但當你離中心越遠，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，而不是繼續旋轉。以此類見，太陽和地球之間存在某個點，使得太陽風從沿著太陽旋轉轉變為直接向外流出，或者像我們從地球上看到的那樣呈放射狀。

太陽風從旋轉流轉變為完美的徑向流的確切位置，會對太陽如何釋放能量產生影響。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）。

現在，帕克太陽探測器首次能夠觀測到仍在旋轉的太陽風，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的旋轉木馬，而不僅僅是孩子們從旋轉木馬上掉下來。帕克太陽探測器的太陽風儀器在距太陽2 000多萬英里處探測到了旋轉，隨著帕克接近其近日點，旋轉的速度會加快。環流的強度比許多科學家預測的要強，但它也比預測的更快地向外流轉變，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的巨大旋轉流確實令人驚奇。雖然我們希望最終能看到離太陽更近的旋轉運動，但我們在第一次掠日中看到的高速運動就比標準模型預測的要快近10倍。”

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。我們的太陽系充斥著塵埃——數十億年前形成行星、小行星、彗星和其他天體的宇宙碰撞碎屑。科學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，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——由華盛頓特區海軍研究實驗室領導的帕克太陽探測器的成像儀器，可以看到飛船的側面，它可以看到廣泛的日冕和太陽風，包括接近太陽的區域。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，塵埃持續減少，甚至達到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的想法

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

按照塵埃變薄的速率，科學家期望在距離太陽200～300萬英里遠的地方看到一個真正的無塵區，這意味著帕克太陽探測器最早可能在2020年觀測到無塵區，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：高能粒子風暴和日冕物質拋射。

微小的粒子——電子和離子，被太陽活動加速，產生高能粒子風暴。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到達地球，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備，甚至危及宇航員性命，特別是對于那些在地球磁場保護范圍之外的深空宇航員，而這種粒子的預警時間很短以至于難以回避它們。

準確理解這些粒子是如何被加速到如此高的速度至關重要。但即使它們在短短幾分鐘內快速到達地球，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，就可以在這些粒子離開太陽后測量它們，從而為理解它們如何被釋放提供新的線索。

帕克太陽探測器的ISIS儀器已經在普林斯頓大學的領導下，測量了幾次前所未有的高能粒子事件，這些事件非常微弱，以至于在它們到達地球或我們的任何近地衛星之前，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，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家先前認為的更為常見。

普林斯頓大學ISIS套件的首席研究員大衛?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人造衛星和宇航員。”

WISPR儀器的數據還提供了日冕和太陽風中前所未有的結構細節，包括日冕物質拋射、太陽向太陽系拋射的數十億噸太陽物質云。日冕物質拋射可以在地球和其他星球上引發一系列的影響，從引發極光到引發電流，這些電流會損壞電網和管道。WISPR以其獨特的視角，在遠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相匹配，我們可以觀察數天的物質外流，并觀察結構的演變。近地觀測使我們認為，日冕中的精細結構會形成一個平滑流，而事實并不是這樣。帕克太陽探測器提供的發現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。”

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

NASA總部太陽物理部主任尼古拉?福克斯（Nicola Fox）說：“太陽是我們能仔細觀察的唯一恒星。從源頭獲取數據已經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境中服役，不斷將令人驚奇和激動的發現送回家。”

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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德航天中心管理，其隸屬于華盛頓的美國宇航局科學任務管理局。約翰霍普金斯APL公司設計、建造并運營飛船。帕克太陽探測器的前兩次掠日數據已在網上公開可以自行獲取。