【蔻享科讯】美国NASA“帕克”探测器邂逅太阳之旅

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一周前，“帕克”太阳探测器的首批成果发布，《自然》杂志连登4篇相关论文。是什么样的科学发现如此重要呢？

众所周知，太阳是离我们人类最近的恒星，万物沐浴着她的光辉生长。但是，太阳依然是非常神秘的。许多相关科学问题迄今都没有令人满意的答案。比如，太阳“可见的表面”（即通常所说的光球层）的温度低于6000摄氏度，而日冕层（即太阳最外层的稀薄大气）的温度却超过1000000摄氏度。我们目前还不清楚这样高的温度的维持机制。在高温的日冕之中，许多粒子的能量大到足以摆脱太阳的引力，从而逃逸产生太阳风【注：太阳风就是一种等离子体】。

2018年8月12日，美国国家航空航天局（NASA）成功发射“帕克”太阳探测器（Parker Solar Probe）。它的重要使命是分析日冕的加热机制和太阳风的形成。“帕克”之名是为了纪念美国天体物理学家、“太阳风研究先驱”尤金·帕克。在1958年，他就提出了超音速太阳风理论。近日，“帕克”的首批观测成果已在国际著名期刊《自然》上发表。此次探测器距离太阳仅为2400万公里，比水星还要更接近太阳（水星离太阳的平均距离约为5800万公里）。这是人类首次在如此近的距离观察太阳、“触摸”太阳。美国国家大气研究中心的太阳物理学家Sarah Gibson感叹道：“我们正在观察一个过去仅能推测的区域”。在探测器的运行过程中，“帕克”会离太阳越来越近。为了能够承受太阳的超高温炙烤，它装备了厚达11厘米的复合材料外壳，使它的耐热极限达到了1400摄氏度。

虽然科学家可以较为方便地研究掠过地球的太阳风，但是如果想了解源头，“你要到那儿，离得足够近”。之前长期的观测表明，地球附近的太阳风较为均匀。与地球附近相比，科学家研究发现太阳附近的太阳风具有更强的结构性。
由于太阳风带有磁场，“帕克”可以通过测量磁场来追踪太阳风的状态。令人意想不到的是，磁场的方向竟然在短短几分钟内发生了两次180度的大翻转！尽管类似的磁场结构也曾被发现过，但如此剧烈的变化幅度和频率是十分罕见的。目前这类磁场结构的成因仍是一个谜。部分太阳风像高速的子弹一样冲出太阳，密歇根大学安娜堡分校的空间科学家Justin Kasper说：“它们是凶猛的波涛”。“帕克”这次大约飞过了1000个类似的长钉状风流。但它们的成因依然是未知的。 太阳风中电磁场的涨落（即强度的上下浮动）也较大，这可能来自于太阳风的湍流或者等离子体的不稳定性。涨落的出现说明，等离子体的不稳定性对太阳风的影响也许比我们之前想的要更大。“帕克”测量了一些来自靠近太阳赤道的日冕上的空洞的低速太阳风。证据显示，那些洞是低速太阳风的重要来源。这也是目前人类对这些源头的“最近一瞥”。

图片来源：参考文献【3】

一些科研人员指出，上面所说的磁场转向往往伴随着等离子体径向速度（远离太阳中心的速度）的增大。通过对一些沿磁场方向运动的高速电子流的观测，他们把磁场的转向归因于S形的磁力线。此外，他们还发现太阳风有很快的绕太阳旋转的速度；与之相比，地球附近的太阳风基本沿直线掠过地球。在太阳风释放之前，太阳把自己旋转的部分能量传递给了那些等离子体，就像一个链球运动员甩出链球那样。这也许会帮助我们理解太阳自转为何会减慢。但是，观察到的速度远超理论预言：现有的理论模型预测这一速度约为几千米每秒，而“帕克”所测量到的速度约为35到50千米每秒。其背后形成机制目前尚不清楚。该发现可以帮助研究者预测太阳爆发的十分危险的大量高能粒子到达地球的时间。另外，太阳风所吸收的太阳的能量也比原来预想的多，太阳转速的减慢也会更快。不过，“帕克”目前获取的仅是一个较小范围内的数据，还需要更多的观测数据来证实这一高速的旋转。
 来自美国普林斯顿大学的麦科马斯（D. J. McComas）和他的合作者们研究了高能离子和电子。由于这些高能粒子在太阳附近的数目较大，此次“帕克”抵近太阳获得了大量的观测数据。他们认为，这些粒子被日冕中的耀斑或等离子体喷射加速，从而进入太阳系空间。高能粒子沿着太阳磁场运动，它们到达探测器的时间差便可被用来估计运动路径的长度。科学家的分析结果表明，路径比预料中的要长，这意味着磁场具有比想象中更复杂的结构。有趣的是，这一发现也可以通过S形的磁场转向来解释。太阳产生的高能粒子一直是科学界重点关注的对象，它们可能会对太空中的宇航员和人造设备造成损害--这对人类宇航活动的安全来说至关重要。 “帕克”对太阳附近尘埃的分布情况也进行了探测。通过对尘埃散射光的观测，研究人员发现尘埃的密度随着离太阳距离的增加而减小，并且已有初步的证据证明存在无尘区。之前，已有科学家提出在太阳附近可能存在无尘区，那里的尘埃被太阳加热，并变成了太阳风的一部分。在“帕克”时代之前，无尘区只是一种从未被观测证实的理论假设。“帕克”的数据填补了这一空白。在2020年，“帕克”有可能会发现离太阳更近的无尘区。“帕克”传回的观测结果显示，太阳风的空间分布与太阳表面磁场的变化有关，这说明太阳发射的等离子体小团构成了太阳风的一部分。
在这些令人惊喜的观测数据面前，人们不得不承认“帕克”取得的丰功伟绩。未来，“帕克”将会帮助我们更深层次地理解太阳物理。新的模型和理论会在更好的探测结果的激励下诞生。这些全新的知识也能帮助我们理解更为广阔的宇宙，毕竟太阳是唯一一颗可以通过探测器近距离观察的恒星，而她的兄弟姐妹们散布在广袤的宇宙空间中。在未来几年的绕行中，“帕克”还会更进一步贴近太阳（甚至距太阳表面仅约600万公里）。这段时间中，太阳恰好将进入一个更为活跃的时期，相信一些更令人振奋的成果将会诞生。到2025年，也就是这一任务的终结之时，“帕克”探测器将共计24次紧密“邂逅”太阳。
 2020年，欧洲太空总署（ESA）计划发射太阳轨道探测器（Solar Orbiter）。尽管它不会像“帕克”那样接近太阳，但它上面携带的大量科学设备也能提供大量的有效数据。这些探测结果将和“帕克”的数据结合起来，告诉我们关于太阳的关键信息。 虽然人类已经取得了不小的进步，但这些新的成果证明太阳依然拥有很多未知的秘密。 

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参考文献：

1. Alexandra Witze, Sun-bombingspacecraft uncovers secrets of the solar wind, Nature 576,15-16 (2019)

2. Parker probe kicks off a golden agefor solar exploration, Nature 576,8 (2019)

3. Daniel Verscharen, A step closer to the Sun’s secrets, Nature 576,219-220 (2019)

4. J. C. Kasper et al. Alfvénic velocity spikes and rotational flows in the near-Sun solar wind, Nature 576,228-231 (2019)

5. S. D. Bale et al. Highly structured slow solarwind emerging from an equatorial coronal hole, Nature 576,237-242 (2019)

6. R. A. Howardet al. Near-Sun observations of anF-corona decrease and K-corona fine structure, Nature 576,232-236 (2019)

7. D. J. McComaset al. Probing the energetic particleenvironment near the Sun, Nature 576,223-227 (2019)

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