“追日夸父”- 帕克太阳探测器揭示了太阳令人惊讶的细节
行语行事2019-12-06 02:17
2018年8月，美国宇航局的帕克太阳探测器发射升空，很快成为有史以来最接近太阳的航天器。帕克太阳探测器利用尖端的科学仪器测量太空船周围的环境，完成了24次计划中的3次穿越，这是太阳大气中从未探测过的日冕部分。2019年12月4日，《自然》杂志发表了四篇新论文，描述了科学家们从这场史无前例的探索中所学到的东西，以及他们对下一步研究的期待。
这些发现揭示了有关物质和粒子的行为的新信息，这些物质和粒子的行为远离太阳，这使科学家们更接近于有关恒星物理的基本问题的答案。为了保护宇航员和太空技术，帕克（Parker）发现了有关太阳如何不断地喷射物质和能量的信息，这些信息将帮助科学家重新编写我们用来理解和预测地球周围空间天气以及理解恒星形成和演化的过程的模型。
“来自帕克的第一批数据以新颖而令人惊讶的方式揭示了我们的恒星，”华盛顿美国国家航空航天局总部科学副主任Thomas Zurbuchen说，“近距离观察而不是远距离观察太阳，使我们对重要的太阳现象及其对地球的影响产生了前所未有的见解，并为我们提供了与了解整个星系中活动恒星有关的新见解。在新发现的先驱下，帕克的太阳物理学只是一个令人激动的令人兴奋的时代的开始。”
虽然在地球上我们似乎很平静，但太阳却一点也不安静。我们的恒星是磁性活跃的，释放出强大的光脉冲，大量的粒子以接近光速的速度运动，并产生数十亿吨的磁化物质云。所有这些活动都影响着我们的星球，向我们的卫星和宇航员飞行的空间注入破坏性粒子，破坏通信和导航信号，甚至在强烈时也会引发断电。太阳在整个50亿年的生命中一直在发生，并将在未来塑造着地球和太阳系中其他行星的命运。
在太阳上发生的事情对于理解它如何塑造我们周围的空间至关重要。逃逸到太阳的大部分物质是太阳风的一部分，这是不断散布在整个太阳系中的太阳物质。这种被称为等离子体的离子化气体携带着太阳的磁场，通过太阳系向外伸展，形成一个跨度超过100亿英里的巨大气泡。
动态的太阳风
在地球附近观察到，太阳风是相对均匀的等离子体流，偶有湍流。但是，观测到这些太阳风的时候，实际上这些太阳风已经走了9000万英里，这时太阳加热和加速太阳风的确切机制已不再起作用。靠近太阳风的来源，帕克太阳能探测器看到了截然不同的图景：一个复杂的、活跃的系统。
像太阳本身一样，太阳风由等离子体组成，在该等离子体中，带负电的电子与带正电的离子分离，形成了带有单个电荷的自由漂浮粒子海。这些自由漂浮的粒子意味着等离子体携带电场和磁场，并且等离子体中的变化通常会在这些电场上留下痕迹。FIELDS仪器通过测量和仔细分析航天器周围的电场和磁场随时间变化以及测量附近等离子体中的波，来测量太阳风的状态。
这些测量结果显示磁场的快速逆转和突然的、快速移动的物质喷流——所有这些特征都使太阳风更加湍急。这些细节对于理解太阳风是如何从太阳和整个太阳系中传播能量的至关重要。
有一种类型的事件尤其引起了科学团队的关注：磁场从太阳中流出，并嵌在太阳风中，磁场的方向会发生翻转。这些逆转称为“回切”，在帕克太阳探测器上持续几秒到几分钟。在回切过程中，磁场会自动返回，直至几乎直接指向太阳。由密歇根大学领导、史密森尼天文物理天文台管理的太阳风仪器套件FIELDS和SWEAP一起测量了帕克太阳探测器前两次近地飞行期间的回切簇。
回切的确切来源尚不清楚，但帕克太阳能探测器的测量结果使科学家能够缩小可能性。
不断从太阳射出的众多粒子中，有恒定的快速移动的电子束，它们沿着太阳的磁场线进入太阳系。这些电子始终严格沿着从太阳移出的磁力线的形状流动，而不管该特定区域中磁场的北极是指向太阳还是远离太阳。但是帕克太阳探测器测量到的电子流是朝着相反的方向流动的，倒向太阳——这表明磁场本身一定是朝着太阳弯曲的，而不是帕克太阳探测器仅仅遇到一条与太阳指向相反的方向不同的磁场线。这表明，这种回切是磁场中的扭结——远离太阳的局部化扰动，而不是太阳出来时磁场的变化。
帕克太阳能探测器对回切现象的观察表明，随着航天器越来越靠近太阳，这些事件将变得更加普遍。该任务的下一次太阳遭遇是在2020年1月29日，飞船比以往任何时候都更靠近太阳，并可能为这一过程提供新的思路。这些信息不仅有助于改变我们对造成我们周围太阳风和太空天气的原因的理解，还有助于我们了解恒星如何工作以及它们如何向环境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接近几十年前一些问题的答案。其中一个问题就是关于太阳风究竟是如何从太阳中流出的。
在地球附近，我们看到太阳风几乎呈放射状流动，这说明太阳风直接从太阳方向吹过来，吹向四面八方。但是太阳在释放太阳风的同时也在自转；在太阳风从太阳挣脱出来之前，太阳风和太阳一起旋转。这有点像孩子们骑在游乐场的旋转木马上——大气随着太阳旋转，就像旋转木马的外部部分旋转一样，但你离中心越远，你在空间中的移动速度就越快。处于边缘的孩子可能会跳下去，在跳下去那一点上，孩子会向外沿直线运动，而不是继续旋转。同样地，在太阳和地球之间有一个点，太阳风从随着太阳旋转转变为直接向外流动，或者像我们从地球上看到的那样，以径向流动。
确切地说，太阳风从旋转流过渡到完全径向流的地方，对太阳如何释放能量有影响。找到这一点可能有助于我们更好地了解其他恒星的生命周期或原行星盘的形成，年轻恒星周围密集的气体和尘埃盘，最终合并为行星。
现在，帕克太阳能探测器第一次观察到太阳风在旋转时的状态。这就好像帕克太阳能探测器第一次直接看到旋转的旋转木马，而不只是孩子们从上面跳下来。帕克太阳能探测器的太阳风仪器探测到太阳旋转的起点距离太阳超过2000万英里，当帕克接近近日点时，旋转的速度加快了。环流的强度比许多科学家预测的要强，但它向外流动的速度也比预测的要快。
“在第一次相遇时看到太阳风的巨大旋转流是一个真正的惊喜，”Kasper说，“虽然我们希望最终能看到离太阳更近的旋转运动，但我们第一次看到的高速运动比标准模型预测的要大近10倍。”
太阳附近的灰尘
另一个难以解决的问题是难以捉摸的无尘区。我们的太阳系充满了尘埃 - 数十亿年前形成行星、小行星、彗星和其他天体的碰撞产生的宇宙碎屑。长期以来，科学家一直怀疑，靠近太阳的尘埃会被强烈的阳光加热至高温，将其转变为气体，并在太阳周围形成一个无尘区域。但是没有人观察到它。
帕克太阳能探测器的成像仪第一次看到宇宙尘埃开始变稀薄。由于WISPR（由海军研究实验室领导的帕克太阳探测器的成像仪器）从飞船的侧面向外看，因此可以看到宽广的日冕和太阳风，包括更靠近太阳的区域。这些图像显示，尘埃开始在距太阳约700万英里处变稀薄，并且这种尘埃的减少一直稳定到WISPR在距太阳约400万英里处的当前测量极限。
“这一无尘区是几十年前预测的，但以前从未见过，”华盛顿特区海军研究实验室WISPR套件（太阳探测器广域成像仪的简称）的首席研究员Russ Howard说，“我们现在看到太阳附近的尘埃发生了什么。”
科学家们期望看到一个真正的无尘区，距离太阳约2-3百万英里，帕克太阳探测器最早可以在2020年观察到该无尘区，届时它的第六次飞越太阳将比以往任何时候都更接近我们的恒星。
太空天气事件
帕克太阳探测器的测量为我们提供了两种有关空间天气事件的新观点：高能粒子风暴和日冕物质抛射。
太阳活动加速了微小的粒子（电子和离子），产生了高能粒子风暴。太阳事件可以将这些粒子以接近光速的速度发射到太阳系，它们在不到半小时的时间内就能到达地球，并且可以在类似的短时间内影响其他世界。这些粒子携带大量能量，因此它们可能损坏航天器的电子设备，甚至危及宇航员，尤其是那些身处地球磁场保护之外的深空宇航员；而这些粒子的短预警时间让它们很难避免。
准确地了解如何将这些粒子加速到如此高的速度至关重要。但是，即使这些粒子仅在短短几分钟内就飞向地球，也仍然有足够的时间让粒子失去最初加速它们的过程的特征。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，从而揭示它们是如何释放的。
由普林斯顿大学领导的帕克太阳探测器的ISIS仪器已经测量了一些前所未有的高能粒子事件，这些事件非常小，以至于它们在到达地球或我们的任何近地人造卫星之前都消失了。这些仪器还测量了一种罕见的粒子爆发，其中含有特别多的重元素，这表明这两种类型的事件可能比科学家先前认为的更常见。
新泽西州普林斯顿大学太阳系综合科学研究中心（ISIS）的首席研究员David McComas表示：“这是令人惊奇的 - 即使在最低太阳条件下，太阳也会产生比我们想象的要多的微小的高能粒子事件。这些测量将帮助我们弄清太阳高能粒子的来源，加速度和传输，最终在将来更好地保护卫星和宇航员。”
WISPR仪器提供的数据还提供了有关日冕和太阳风结构的空前细节，包括日冕质量抛射（CME），数十亿吨的太阳物质云团，太阳将它们散发到太阳系中。CMEs可以触发地球和其他星球的一系列影响，从引发极光到感应电流都可能损坏电网和管道。WISPR独特的视角，与这些远离太阳的事件一起观察，已经为我们的恒星所能引发的一系列事件提供了新的线索。
Howard说：“由于帕克太阳探测器正好与太阳的自转方向一致，所以我们可以连续几天观察物质的流出，并观察结构的演变。地球附近的观测使我们认为电晕中的精细结构会形成顺畅的流动，我们发现这是不正确的。这将帮助我们更好地模拟太阳和地球之间的运动。”
随着帕克太阳探测器继续其旅程，它将以越来越近的距离向太阳靠近21次，最终在距离太阳表面仅383万英里的三个轨道上达到顶点。
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