帕克太阳探测器刷新人类对太阳的认知

编译 王格格

美国宇航局的帕克太阳探测器从太阳附近传回了史无前例的数据，这些发现于2019年12月4日在《自然》杂志上发表，包括对太阳物质的不断外流和太阳风行为的新理解。

2018年8月，美国宇航局（NASA）的帕克太阳探测器发射升空，不久就成为有史以来以最近距离飞掠太阳的航天器。帕克太阳探测器利用尖端的科学仪器测量飞船周围的环境，已经完成了计划的24次掠日飞行其中的3次，穿越太阳大气中从未被探测过的部分：日冕。2019年12月4日，《自然》杂志上发表了4篇新论文，描述了科学家在这场史无前例的探索中得到的研究结果，以及他们对下一步研究的期待。

这些发现揭示了有关远离太阳的物质和粒子行为的新信息，有助于科学家们回答有关我们的恒星——太阳的基本物理问题。为了保护宇航员并发展空间技术，帕克所揭示的这些关于太阳如何不断抛射物质和能量的信息，将帮助科学家们重新修正目前用来理解和预测地球周围空间天气的模型，并理解恒星的形成和演化过程。

NASA华盛顿总部主管科学事务的副局长托马斯•祖布钦（Thomas Zurbuchen）说：“帕克的第一批数据以崭新而出人意料的方式向我们揭示了太阳的奥秘。在更近的距离观察太阳，给了我们前所未有的视角来看待重要的太阳现象及其对地球的影响，也为我们了解星系中活动着的恒星提供了新的信息。这仅仅是太阳物理学令人难以置信的激动时刻的开始，帕克是新发现的先锋。”

虽然在我们看来，地球上似乎很平静，但太阳却一点也不平静。太阳磁性活跃，有强烈的耀发现象，会释放出大量接近光速运动的粒子和数十亿吨重的磁化物质云。所有的这些太阳活动都会影响地球，将破坏性粒子注入我们的卫星和宇航员飞行的空间，干扰通信和导航信号，甚至在活动强烈的情形下会触发停电事故。在太阳50亿年的生命周期中，这些活动一直在进行，并将继续影响地球和太阳系内其他行星未来的命运走向。

“太阳始终让人类为之着迷，这贯穿了人类的整个存在。”马里兰州约翰霍普金斯应用物理实验室（该实验室为NASA建设并管理这项任务）、帕克太阳探测器项目科学家努尔•拉乌阿菲（Nour E.Raouafi）说道：“过去几十年，虽然我们对太阳有过很多了解，但我们真的需要像帕克太阳探测器进入到太阳大气，只有在那里我们才能真正了解这些复杂的太阳活动过程中的细节。仅仅通过这三条掠日轨道，就已经改变了我们对太阳的许多认识。”

帕克太阳探测器观测到了磁场折返现象，这是一个至今仍无法解释的现象，可能有助于科学家发现更多关于太阳风如何从太阳加速的信息

太阳上发生的一切对于理解它如何塑造我们周围的空间至关重要。大多数逃离太阳的物质都是太阳风的一部分，太阳风是太阳物质的持续外流，整个太阳系都沐浴其中。这种被称为等离子体的电离气体携带着太阳的磁场，以跨度超过100亿英里的巨大气泡延伸穿行太阳系。

动荡太阳风

在地球附近观测，太阳风是一种相对均匀的等离子体流，偶尔伴有湍流翻滚。但当太阳风到达地球时，它已经穿行了9 000多万英里——太阳加热和加速太阳风的确切机制的特征已经消失了。那么靠近太阳风的源头，帕克太阳探测器看到了一幅截然不同的画面：一个复杂而活跃的系统。

“当我们最开始查看数据的时候，这种复杂性令人震惊，”帕克太阳探测器的FIELDS仪器套件（该套件研究电场和磁场的规模和形状）负责人、加州大学伯克利分校的斯图尔特•贝尔（Stuart Bale）说道，“现在我已经习惯了，但当我第一次向同事们展示结果时，他们都惊呆了。”贝尔解释说，“从帕克距离太阳1 500万英里的有利位置来看，太阳风比我们在近地看到的要动荡得多。”

和太阳本身一样，太阳风也是由等离子体组成的，在等离子体中，带负电的电子与带正电的离子分离，形成了一片自由漂浮的粒子海洋，它们各自带有独立电荷。这些自由漂浮的粒子意味着等离子体携带着电场和磁场，而等离子体的变化往往会在这些磁场上留下印记。FIELDS仪器通过测量和仔细分析飞船周围的电场和磁场随时间的变化，以及测量附近等离子体波，来测量太阳风的状态。

这些测量结果显示了磁场的快速逆转以及突然快速移动的物质喷流——所有这些特征都使得太阳风更加湍急。这些细节对于理解太阳风在离开太阳并外流向整个太阳系过程中如何耗散能量至关重要。

其中一种事件特别吸引了科学团队的注意：磁场方向的翻转，磁场从太阳流出，嵌入太阳风中。这些“翻转”被称为“折返”，当它们流过帕克太阳探测器时持续时间从几秒到几分钟不等。在一次折返过程中，磁场会自动折回，直到它几乎直接指向太阳。由史密森天体物理天文台管理，并由密歇根大学领导的太阳风仪器套件，FIELDS和SWEAP，一起测量了帕克太阳探测器前两次飞越过程中的一系列折返。

安娜堡密歇根大学的SWEAP（太阳风电子α和质子）首席研究员贾斯汀•卡斯帕（Justin Kasper）说：“自太空时代开始，人们就已经在太阳风中看到了波，我们离太阳越近，波会变得越强，但我们没想到它们会组织成这些相干的结构速度尖峰。我们正在探测从太阳抛入太空并剧烈改变气流和磁场组织的结构残余。这将极大地改变我们关于日冕和太阳风如何被加热的理论。”

目前还不清楚这种折返的确切原因，但帕克太阳探测器的测量结果已经使科学家们能够排除一些可能性。

在许多从太阳源源不断流出的粒子中，有一束持续快速移动的电子，它们沿着太阳的磁力线进入太阳系。这些电子总是严格地沿着从太阳移出的磁力线的形状流动，而不管这个特定区域的磁场北极是指向太阳还是远离太阳。但是帕克太阳探测器观测到这些电子流朝着相反的方向流动，并朝向太阳翻转——这表明磁场本身一定朝向太阳弯曲，而不是帕克太阳探测器仅仅遇到了与太阳方向相反的磁力线。这表明这种折返是磁场中的扭结——是远离太阳过程中的局部扰动，而不是从太阳出来时的磁场变化。

帕克太阳探测器的观测表明，随着飞船离太阳越来越近，这些折返事件将变得更为普遍。下一次的掠日时间是2020年1月29日，在这次任务中飞船会比以往任何一次都更接近太阳，因此可能对这一过程给出新的解释。这些信息不仅有助于改变我们对太阳风和周围空间天气成因的理解，也有助于我们理解恒星如何运作以及它们如何向外界释放能量的基本过程。

旋转的太阳风

帕克太阳探测器的一些测量结果使科学家们更加接近一些几十年前就提出的问题的答案，其中一个问题就是太阳风究竟是如何从太阳中流出的。

在地球附近，我们看到的太阳风几乎是径向流动的——意味着它直接从太阳流出来，向四面八方直射。但太阳在释放太阳风的同时也在旋转，意味着太阳风也会随之旋转。这有点像孩子们骑在游乐场公园的旋转木马上——大气随太阳旋转，就像旋转木马的外部旋转一样，但当你离中心越远，你在空间中移动的速度就越快。边缘的孩子可能会掉出来，在那一点上，会以直线向外移动，而不是继续旋转。以此类见，太阳和地球之间存在某个点，使得太阳风从沿着太阳旋转转变为直接向外流出，或者像我们从地球上看到的那样呈放射状。

太阳风从旋转流转变为完美的径向流的确切位置，会对太阳如何释放能量产生影响。找到这一点可能有助于我们更好地理解其他恒星的生命周期或原行星盘的形成（原行星盘是围绕年轻恒星的致密气体和尘埃盘，最终会合并形成行星）。

现在，帕克太阳探测器首次能够观测到仍在旋转的太阳风，而不仅仅是我们在地球附近看到的那种直线流。就好像帕克太阳探测器第一次直接看到在旋转的旋转木马，而不仅仅是孩子们从旋转木马上掉下来。帕克太阳探测器的太阳风仪器在距太阳2 000多万英里处探测到了旋转，随着帕克接近其近日点，旋转的速度会加快。环流的强度比许多科学家预测的要强，但它也比预测的更快地向外流转变，这有助于消减对我们所处位置（距离太阳约9 300万英里的地方）的影响。

卡斯帕说：“第一次掠日时所看到的太阳风的巨大旋转流确实令人惊奇。虽然我们希望最终能看到离太阳更近的旋转运动，但我们在第一次掠日中看到的高速运动就比标准模型预测的要快近10倍。”

太阳附近的尘埃

另一个接近答案的问题是难以捉摸的无尘区。我们的太阳系充斥着尘埃——数十亿年前形成行星、小行星、彗星和其他天体的宇宙碰撞碎屑。科学家们长期以来一直怀疑，在靠近太阳的地方，这些尘埃会被强烈的太阳光加热到高温而变成气体，由此在太阳周围形成一个无尘区，但从来没有人观测到。

帕克太阳探测器的成像仪首次看到宇宙尘埃开始变薄。因为WISPR——由华盛顿特区海军研究实验室领导的帕克太阳探测器的成像仪器，可以看到飞船的侧面，它可以看到广泛的日冕和太阳风，包括接近太阳的区域。这些图像显示，在距太阳700多万英里的地方，尘埃开始变薄，而在距太阳400多万英里的地方，尘埃持续减少，甚至达到WISPR所能测量的极限。

帕克太阳探测器看到的宇宙尘埃（如图所示）散落在我们的太阳系中，在靠近太阳的地方开始变薄，支持了在太阳附近存在一个长期理论化的无尘区的想法

华盛顿特区海军研究实验室WISPR套件的首席研究员罗斯•霍华德（Russ Howard）说：“无尘区是几十年前预测的，但从未被探测到。我们现在可以看到太阳附近的尘埃发生了些什么。”

按照尘埃变薄的速率，科学家期望在距离太阳200～300万英里远的地方看到一个真正的无尘区，这意味着帕克太阳探测器最早可能在2020年观测到无尘区，届时它的第六次掠日将比以往任何一次都更接近太阳。

洞察空间天气

帕克太阳探测器的观测结果为我们提供了对于两种空间天气事件的新视角：高能粒子风暴和日冕物质抛射。

微小的粒子——电子和离子，被太阳活动加速，产生高能粒子风暴。太阳活动事件可以将这些粒子以接近光速的速度射入太阳系，这意味着它们可以在半小时内到达地球，并在同样短时间里影响其他星球。这些粒子携带着大量的能量，因此它们会损坏航天器电子设备，甚至危及宇航员性命，特别是对于那些在地球磁场保护范围之外的深空宇航员，而这种粒子的预警时间很短以至于难以回避它们。

准确理解这些粒子是如何被加速到如此高的速度至关重要。但即使它们在短短几分钟内快速到达地球，这仍然足够让粒子失去最初的特征。帕克太阳探测器在几百万英里外绕着太阳旋转，就可以在这些粒子离开太阳后测量它们，从而为理解它们如何被释放提供新的线索。

帕克太阳探测器的ISIS仪器已经在普林斯顿大学的领导下，测量了几次前所未有的高能粒子事件，这些事件非常微弱，以至于在它们到达地球或我们的任何近地卫星之前，所有的踪迹都消失了。这些仪器还测量了一种罕见的粒子爆发，其中含有很多重元素，这表明这两种类型的事件可能都比科学家先前认为的更为常见。

普林斯顿大学ISIS套件的首席研究员大卫•麦科马斯（David McComas）说道：“这太神奇了，即使在太阳活动最弱的情况下，依然产生了比我们想象中更多的微小高能粒子事件。这些测量将有助于我们阐释太阳高能粒子的来源、加速和传输，并在未来更好地保护人造卫星和宇航员。”

WISPR仪器的数据还提供了日冕和太阳风中前所未有的结构细节，包括日冕物质抛射、太阳向太阳系抛射的数十亿吨太阳物质云。日冕物质抛射可以在地球和其他星球上引发一系列的影响，从引发极光到引发电流，这些电流会损坏电网和管道。WISPR以其独特的视角，在远离太阳的过程中观察这些事件，为太阳活动变化提供了新的线索。

霍华德说：“由于帕克太阳探测器与太阳自转相匹配，我们可以观察数天的物质外流，并观察结构的演变。近地观测使我们认为，日冕中的精细结构会形成一个平滑流，而事实并不是这样。帕克太阳探测器提供的发现将有助于我们更好地模拟事件在太阳和地球之间的传播方式。”

随着帕克太阳探测器继续其旅程，它将继续向太阳靠近，最终将到达距离太阳表面仅383万英里的三条轨道。

NASA总部太阳物理部主任尼古拉•福克斯（Nicola Fox）说：“太阳是我们能仔细观察的唯一恒星。从源头获取数据已经彻底改变了我们对太阳和宇宙中其他恒星的理解。我们的小飞船正在残酷的环境中服役，不断将令人惊奇和激动的发现送回家。”

》》链接：

帕克太阳探测器是美国宇航局实施“与恒星共存”项目的一部分，该计划旨在探索直接影响生命和社会的日地系统的各个方面。“与恒星共存”项目由位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德航天中心管理，其隶属于华盛顿的美国宇航局科学任务管理局。约翰霍普金斯APL公司设计、建造并运营飞船。帕克太阳探测器的前两次掠日数据已在网上公开可以自行获取。