「追日夸父」-帕克太陽探測器揭示了太陽令人驚訝的細節

2018年8月，美國宇航局的帕克太陽探測器發射升空，很快成為有史以來最接近太陽的太空飛行器。帕克太陽探測器利用尖端的科學儀器測量太空船周圍的環境，完成了24次計劃中的3次穿越，這是太陽大氣中從未探測過的日冕部分。2019年12月4日，《自然》雜誌發表了四篇新論文，描述了科學家們從這場史無前例的探索中所學到的東西，以及他們對下一步研究的期待。

這些發現揭示了有關物質和粒子的行為的新信息，這些物質和粒子的行為遠離太陽，這使科學家們更接近於有關恆星物理的基本問題的答案。為了保護太空人和太空技術，帕克（Parker）發現了有關太陽如何不斷地噴射物質和能量的信息，這些信息將幫助科學家重新編寫我們用來理解和預測地球周圍空間天氣以及理解恆星形成和演化的過程的模型。

「來自帕克的第一批數據以新穎而令人驚訝的方式揭示了我們的恆星，」華盛頓美國國家航空航天局總部科學副主任Thomas Zurbuchen說，「近距離觀察而不是遠距離觀察太陽，使我們對重要的太陽現象及其對地球的影響產生了前所未有的見解，並為我們提供了與了解整個星系中活動恆星有關的新見解。在新發現的先驅下，帕克的太陽物理學只是一個令人激動的令人興奮的時代的開始。」

雖然在地球上我們似乎很平靜，但太陽卻一點也不安靜。我們的恆星是磁性活躍的，釋放出強大的光脈衝，大量的粒子以接近光速的速度運動，並產生數十億噸的磁化物質雲。所有這些活動都影響著我們的星球，向我們的衛星和太空人飛行的空間注入破壞性粒子，破壞通信和導航信號，甚至在強烈時也會引發斷電。太陽在整個50億年的生命中一直在發生，並將在未來塑造著地球和太陽系中其他行星的命運。

在太陽上發生的事情對於理解它如何塑造我們周圍的空間至關重要。逃逸到太陽的大部分物質是太陽風的一部分，這是不斷散布在整個太陽系中的太陽物質。這種被稱為等離子體的離子化氣體攜帶著太陽的磁場，通過太陽系向外伸展，形成一個跨度超過100億英裡的巨大氣泡。

動態的太陽風

在地球附近觀察到，太陽風是相對均勻的等離子體流，偶有湍流。但是，觀測到這些太陽風的時候，實際上這些太陽風已經走了9000萬英裡，這時太陽加熱和加速太陽風的確切機制已不再起作用。靠近太陽風的來源，帕克太陽能探測器看到了截然不同的圖景：一個複雜的、活躍的系統。

像太陽本身一樣，太陽風由等離子體組成，在該等離子體中，帶負電的電子與帶正電的離子分離，形成了帶有單個電荷的自由漂浮粒子海。這些自由漂浮的粒子意味著等離子體攜帶電場和磁場，並且等離子體中的變化通常會在這些電場上留下痕跡。FIELDS儀器通過測量和仔細分析太空飛行器周圍的電場和磁場隨時間變化以及測量附近等離子體中的波，來測量太陽風的狀態。

這些測量結果顯示磁場的快速逆轉和突然的、快速移動的物質噴流——所有這些特徵都使太陽風更加湍急。這些細節對於理解太陽風是如何從太陽和整個太陽系中傳播能量的至關重要。

有一種類型的事件尤其引起了科學團隊的關注：磁場從太陽中流出，並嵌在太陽風中，磁場的方向會發生翻轉。這些逆轉稱為「回切」，在帕克太陽探測器上持續幾秒到幾分鐘。在回切過程中，磁場會自動返回，直至幾乎直接指向太陽。由密西根大學領導、史密森尼天文物理天文臺管理的太陽風儀器套件FIELDS和SWEAP一起測量了帕克太陽探測器前兩次近地飛行期間的回切簇。

太陽風回切的動畫插圖

回切的確切來源尚不清楚，但帕克太陽能探測器的測量結果使科學家能夠縮小可能性。

不斷從太陽射出的眾多粒子中，有恆定的快速移動的電子束，它們沿著太陽的磁場線進入太陽系。這些電子始終嚴格沿著從太陽移出的磁力線的形狀流動，而不管該特定區域中磁場的北極是指向太陽還是遠離太陽。但是帕克太陽探測器測量到的電子流是朝著相反的方向流動的，倒向太陽——這表明磁場本身一定是朝著太陽彎曲的，而不是帕克太陽探測器僅僅遇到一條與太陽指向相反的方向不同的磁場線。這表明，這種回切是磁場中的扭結——遠離太陽的局部化擾動，而不是太陽出來時磁場的變化。

帕克太陽能探測器對回切現象的觀察表明，隨著太空飛行器越來越靠近太陽，這些事件將變得更加普遍。該任務的下一次太陽遭遇是在2020年1月29日，飛船比以往任何時候都更靠近太陽，並可能為這一過程提供新的思路。這些信息不僅有助於改變我們對造成我們周圍太陽風和太空天氣的原因的理解，還有助於我們了解恆星如何工作以及它們如何向環境釋放能量的基本過程。

帕克太陽能探測器穿過太陽風

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接近幾十年前一些問題的答案。其中一個問題就是關於太陽風究竟是如何從太陽中流出的。

在地球附近，我們看到太陽風幾乎呈放射狀流動，這說明太陽風直接從太陽方向吹過來，吹向四面八方。但是太陽在釋放太陽風的同時也在自轉；在太陽風從太陽掙脫出來之前，太陽風和太陽一起旋轉。這有點像孩子們騎在遊樂場的旋轉木馬上——大氣隨著太陽旋轉，就像旋轉木馬的外部部分旋轉一樣，但你離中心越遠，你在空間中的移動速度就越快。處於邊緣的孩子可能會跳下去，在跳下去那一點上，孩子會向外沿直線運動，而不是繼續旋轉。同樣地，在太陽和地球之間有一個點，太陽風從隨著太陽旋轉轉變為直接向外流動，或者像我們從地球上看到的那樣，以徑向流動。

確切地說，太陽風從旋轉流過渡到完全徑向流的地方，對太陽如何釋放能量有影響。找到這一點可能有助於我們更好地了解其他恆星的生命周期或原行星盤的形成，年輕恆星周圍密集的氣體和塵埃盤，最終合併為行星。

現在，帕克太陽能探測器第一次觀察到太陽風在旋轉時的狀態。這就好像帕克太陽能探測器第一次直接看到旋轉的旋轉木馬，而不只是孩子們從上面跳下來。帕克太陽能探測器的太陽風儀器探測到太陽旋轉的起點距離太陽超過2000萬英裡，當帕克接近近日點時，旋轉的速度加快了。環流的強度比許多科學家預測的要強，但它向外流動的速度也比預測的要快。

「在第一次相遇時看到太陽風的巨大旋轉流是一個真正的驚喜，」Kasper說，「雖然我們希望最終能看到離太陽更近的旋轉運動，但我們第一次看到的高速運動比標準模型預測的要大近10倍。」

太陽附近的灰塵

另一個難以解決的問題是難以捉摸的無塵區。我們的太陽系充滿了塵埃 - 數十億年前形成行星、小行星、彗星和其他天體的碰撞產生的宇宙碎屑。長期以來，科學家一直懷疑，靠近太陽的塵埃會被強烈的陽光加熱至高溫，將其轉變為氣體，並在太陽周圍形成一個無塵區域。但是沒有人觀察到它。

帕克太陽能探測器的成像儀第一次看到宇宙塵埃開始變稀薄。由於WISPR（由海軍研究實驗室領導的帕克太陽探測器的成像儀器）從飛船的側面向外看，因此可以看到寬廣的日冕和太陽風，包括更靠近太陽的區域。這些圖像顯示，塵埃開始在距太陽約700萬英裡處變稀薄，並且這種塵埃的減少一直穩定到WISPR在距太陽約400萬英裡處的當前測量極限。

遍布我們的太陽系宇宙塵埃

「這一無塵區是幾十年前預測的，但以前從未見過，」華盛頓特區海軍研究實驗室WISPR套件（太陽探測器廣域成像儀的簡稱）的首席研究員Russ Howard說，「我們現在看到太陽附近的塵埃發生了什麼。」

科學家們期望看到一個真正的無塵區，距離太陽約2-3百萬英裡，帕克太陽探測器最早可以在2020年觀察到該無塵區，屆時它的第六次飛越太陽將比以往任何時候都更接近我們的恆星。

太空天氣事件

帕克太陽探測器的測量為我們提供了兩種有關空間天氣事件的新觀點：高能粒子風暴和日冕物質拋射。

太陽活動加速了微小的粒子（電子和離子），產生了高能粒子風暴。太陽事件可以將這些粒子以接近光速的速度發射到太陽系，它們在不到半小時的時間內就能到達地球，並且可以在類似的短時間內影響其他世界。這些粒子攜帶大量能量，因此它們可能損壞太空飛行器的電子設備，甚至危及太空人，尤其是那些身處地球磁場保護之外的深空太空人；而這些粒子的短預警時間讓它們很難避免。

圖像顯示了來自太陽的高能粒子

準確地了解如何將這些粒子加速到如此高的速度至關重要。但是，即使這些粒子僅在短短幾分鐘內就飛向地球，也仍然有足夠的時間讓粒子失去最初加速它們的過程的特徵。帕克太陽探測器在幾百萬英裡外繞著太陽旋轉，就可以在這些粒子離開太陽後測量它們，從而揭示它們是如何釋放的。

由普林斯頓大學領導的帕克太陽探測器的IS IS儀器已經測量了一些前所未有的高能粒子事件，這些事件非常小，以至於它們在到達地球或我們的任何近地人造衛星之前都消失了。這些儀器還測量了一種罕見的粒子爆發，其中含有特別多的重元素，這表明這兩種類型的事件可能比科學家先前認為的更常見。

新澤西州普林斯頓大學太陽系綜合科學研究中心（IS IS）的首席研究員David McComas表示：「這是令人驚奇的 - 即使在最低太陽條件下，太陽也會產生比我們想像的要多的微小的高能粒子事件。這些測量將幫助我們弄清太陽高能粒子的來源，加速度和傳輸，最終在將來更好地保護衛星和太空人。」

WISPR儀器提供的數據還提供了有關日冕和太陽風結構的空前細節，包括日冕質量拋射（CME），數十億噸的太陽物質雲團，太陽將它們散發到太陽系中。CMEs可以觸發地球和其他星球的一系列影響，從引發極光到感應電流都可能損壞電網和管道。WISPR獨特的視角，與這些遠離太陽的事件一起觀察，已經為我們的恆星所能引發的一系列事件提供了新的線索。

Howard說：「由於帕克太陽探測器正好與太陽的自轉方向一致，所以我們可以連續幾天觀察物質的流出，並觀察結構的演變。地球附近的觀測使我們認為電暈中的精細結構會形成順暢的流動，我們發現這是不正確的。這將幫助我們更好地模擬太陽和地球之間的運動。」

隨著帕克太陽探測器繼續其旅程，它將以越來越近的距離向太陽靠近21次，最終在距離太陽表面僅383萬英裡的三個軌道上達到頂點。