在這幅插圖中，帕克太陽(yáng)探測(cè)器正在不斷接近太陽(yáng)。帕克太陽(yáng)探測(cè)器于2018年發(fā)射，現(xiàn)在比任何其他人造物體都更接近太陽(yáng)。
繪圖：NASA/JOHNS HOPKINS APL/STEVE GRIBBEN
數(shù)十億年來(lái)，太陽(yáng)一直將其秘密隱藏在叫做日冕的能量漩渦中。日冕由熾熱的磁化等離子體組成，溫度極高，偶爾極端狂暴，一直沒(méi)有宇宙飛船敢于探索——直到現(xiàn)在。
近日，《自然》雜志發(fā)表上的四項(xiàng)研究報(bào)告了美國(guó)宇航局帕克太陽(yáng)探測(cè)器發(fā)回的首批數(shù)據(jù)。帕克太陽(yáng)探測(cè)器是一項(xiàng)史無(wú)前例的任務(wù)，已經(jīng)成為有史以來(lái)距離太陽(yáng)最近的航天器，目前已三次接近太陽(yáng)，觀測(cè)到日冕的相關(guān)信息。這些近距離接觸已經(jīng)解決了一些有關(guān)太陽(yáng)的謎團(tuán)，并揭示了一批意想不到的發(fā)現(xiàn)。
美國(guó)國(guó)家大氣研究中心的Sarah Gibson說(shuō)：“它完成了其它航天器從未實(shí)現(xiàn)過(guò)的成就。我只是迫不及待地想看看下一步會(huì)發(fā)生什么，它真的傳送了很多有價(jià)值的信息。”
這樣的近距離觀測(cè)將解開太陽(yáng)物理學(xué)的基本難題，并幫助我們更好地預(yù)測(cè)飛向地球的有害太陽(yáng)風(fēng)暴活動(dòng)。這些危險(xiǎn)云團(tuán)被稱為日冕物質(zhì)拋射，由高能粒子組成，可產(chǎn)生閃爍的極光，甚至出現(xiàn)在中緯度的天空，但它們也會(huì)使通訊衛(wèi)星失靈，破壞電網(wǎng)，給宇航員帶來(lái)致命性危險(xiǎn)。
“提到來(lái)自太空的風(fēng)險(xiǎn)，人們經(jīng)常會(huì)想到導(dǎo)致恐龍滅絕的流星，”研究報(bào)告的作者、普林斯頓大學(xué)的David McComas說(shuō)?！安贿^(guò)，如果你遭遇一次極端的太空天氣事件，導(dǎo)致大量技術(shù)設(shè)備被摧毀，那么對(duì)我們來(lái)說(shuō)會(huì)是一個(gè)更大的風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>
近距離觀測(cè)太陽(yáng)的任務(wù)
帕克太陽(yáng)探測(cè)器于2018年8月發(fā)射，并于同年11月首次飛掠太陽(yáng)。在7年的飛行任務(wù)中，帕克太陽(yáng)探測(cè)器將飛掠太陽(yáng)24次，每一次都比之前更加接近太陽(yáng)，直到最后到達(dá)距離太陽(yáng)表面640萬(wàn)公里的地方。
帕克太陽(yáng)探測(cè)器搭載著4件儀器，目前正穿越太陽(yáng)的日冕，測(cè)量太陽(yáng)的大氣層，試圖找出太陽(yáng)風(fēng)的起源，即太陽(yáng)不斷釋放的高速的高能粒子云。如此近距離接近太陽(yáng)至關(guān)重要，因?yàn)樘綔y(cè)器可以采集原始的太陽(yáng)風(fēng)樣本，而我們?cè)诘厍蛏蟿t很難進(jìn)行研究。
“當(dāng)它到達(dá)我們這里時(shí)，已經(jīng)改變了，經(jīng)過(guò)加工處理了。很多可能告訴我們它是如何起源的結(jié)構(gòu)都被涂抹了，” Gibson談到太陽(yáng)風(fēng)時(shí)說(shuō)?！芭量颂綔y(cè)器潛入太陽(yáng)風(fēng)剛誕生地方，在其未發(fā)生變化的地方進(jìn)行觀察。”
科學(xué)家們已經(jīng)知道，超音速的太陽(yáng)風(fēng)來(lái)自日冕中寒冷的磁洞。但密度更大、速度更慢的太陽(yáng)風(fēng)的起源依然是個(gè)謎。太陽(yáng)的高溫大氣層也是如此。雖然這顆恒星表面的溫度相對(duì)較低，只有5500℃，但外層大氣日冕的溫度卻超過(guò)177萬(wàn)℃。
“太陽(yáng)必須釋放出一些我們看不到的額外能量，”研究報(bào)告的作者、密歇根大學(xué)的Justin Kasper說(shuō)。“實(shí)際上，太陽(yáng)必須釋放這些能量。因此，我們必須找到太陽(yáng)在存儲(chǔ)能量之前將其釋放到太空中的機(jī)制?！?/p>
太陽(yáng)大氣層中的劇烈磁波
在最初的觀測(cè)中，最令人震驚的或許是席卷太陽(yáng)大氣層的劇烈磁波，它能立即使太陽(yáng)風(fēng)速度增加高達(dá)每小時(shí)48萬(wàn)公里，在某些情況下，還會(huì)導(dǎo)致局部磁場(chǎng)的徹底翻轉(zhuǎn)。
Kasper說(shuō)：“太陽(yáng)風(fēng)速度如此之快，從我們身邊飛過(guò)的這個(gè)東西如此猛烈，實(shí)際上在不到一秒的時(shí)間里就把磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)了180度。我們的第一個(gè)問(wèn)題是，這些到底是什么東西？”
在前兩次的飛越太陽(yáng)過(guò)程中，帕克太陽(yáng)探測(cè)器可能遇到了上千個(gè)這樣的波，這些波在當(dāng)時(shí)的未知極其巨大，但到達(dá)地球時(shí)則因太小而無(wú)法探測(cè)。這種波會(huì)持續(xù)幾秒到幾分鐘，使正常的指南針無(wú)法工作，而且沒(méi)有明顯的來(lái)源。
研究小組稱這些特征為“折返”，一些科學(xué)家認(rèn)為，如果這些波在儲(chǔ)存能量，那么它們可能在加熱日冕的過(guò)程中發(fā)揮了作用。不過(guò)，目前還不清楚是什么發(fā)射了這些“折返”，也不清楚當(dāng)探測(cè)器不斷靠近太陽(yáng)時(shí)，這些“折返”是否會(huì)變得更強(qiáng)或更多。
同樣令人困惑的是太陽(yáng)風(fēng)的橫向速度。太陽(yáng)每24.5個(gè)地球日繞軸自轉(zhuǎn)一次，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，其發(fā)射的大量粒子會(huì)與它一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)到達(dá)地球時(shí)，呈放射狀傳播，或者像旋轉(zhuǎn)的草坪灑水器噴出的水一樣向外流動(dòng)。
上述說(shuō)法有一定道理。不過(guò)，當(dāng)帕克太陽(yáng)探測(cè)器低空飛越太陽(yáng)南半球時(shí)，測(cè)量了太陽(yáng)風(fēng)的旋轉(zhuǎn)速度，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的速度比任何人所能想到的在這么遠(yuǎn)的距離都要快得多。
“太陽(yáng)風(fēng)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度要比按照標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)模型和旋轉(zhuǎn)速度預(yù)測(cè)的快20倍，” Kasper說(shuō)?！拔覀兒雎粤岁P(guān)于日冕和太陽(yáng)風(fēng)的一些非常基本的東西?！?/p>
速度過(guò)快的風(fēng)會(huì)影響恒星的演化速度，新生的恒星轉(zhuǎn)速非?？?，在億萬(wàn)年的時(shí)間里逐漸減速，并以這類風(fēng)的形式損失能量。雖然我們的太陽(yáng)看起來(lái)不會(huì)比預(yù)期的燃燒速度快，但這些奇怪的快速太陽(yáng)風(fēng)暗示，我們的恒星可能會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而更快地減慢自轉(zhuǎn)速度。
更直接地是，驚人的旋轉(zhuǎn)速度也可能影響科學(xué)家對(duì)日冕物質(zhì)拋射的軌跡和到達(dá)時(shí)間的預(yù)測(cè)。日冕物質(zhì)拋射可能會(huì)破壞地球上的電網(wǎng)。
“通常情況下，日冕物質(zhì)拋射都是朝著我們沒(méi)有預(yù)料的方向運(yùn)動(dòng)……如果存在大規(guī)模的橫向運(yùn)動(dòng)，這可能是我們?cè)陬A(yù)測(cè)日冕物質(zhì)拋射方面做得不好的一個(gè)重要原因。嗯，我不會(huì)說(shuō)我們?cè)谶@方面做的很糟糕，但在這方面確實(shí)做的不夠好。” Kasper說(shuō)。
隨著任務(wù)的繼續(xù)，帕克太陽(yáng)探測(cè)器無(wú)疑將揭示更多的驚喜。首先，探測(cè)器即將探測(cè)到太陽(yáng)周圍一個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)家一直認(rèn)為存在卻從未觀測(cè)到的區(qū)域，那里溫度極高，“沒(méi)有灰塵可以存在”，研究作者、海軍研究實(shí)驗(yàn)室的Russell Howard說(shuō)。自1928年科學(xué)家預(yù)測(cè)存在無(wú)塵區(qū)以來(lái)，這片區(qū)域一直未被觀測(cè)到，即使在日食期間，在地球上更容易觀測(cè)到這片近日區(qū)。
隨著太陽(yáng)活動(dòng)從11年來(lái)的最低值開始加強(qiáng)，科學(xué)家們預(yù)計(jì)這次任務(wù)將會(huì)更加激動(dòng)人心。最終，研究小組希望帕克太陽(yáng)探測(cè)器能夠探測(cè)到大量日冕物質(zhì)拋射。當(dāng)太陽(yáng)從沉睡中醒來(lái)時(shí)，日冕物質(zhì)拋射事件發(fā)生的可能性會(huì)越來(lái)越大。
約翰霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目科學(xué)家Nour Raouafi說(shuō)：“我們希望太陽(yáng)能夠產(chǎn)生最強(qiáng)、最快的日冕物質(zhì)拋射。請(qǐng)盡管放馬過(guò)來(lái)吧?！?/p>
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