【原】穿越日冕，探索太阳风，帕克太阳探测器为人类揭秘

天文在线 2023-04-08 发布于云南

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帕克太阳探测器：

第一艘触及太阳的飞船

帕克太阳探测器，人类与太阳间的信使

有一艘飞船，第一次真正地接触到了太阳。2021年12月14日，科学家们在于新奥尔良州召开的美国地球物理联合会会议上宣布了这一消息。他们说，帕克太阳探测器在2021年4月28日从束状的日冕层，也就是太阳最外层的大气中穿过。在日全食期间，我们可以在月球的轮廓外侧看见像是在燃烧中的火焰的日冕层。帕克太阳探测器已经在对日冕层中的粒子与磁场进行采样探测。

它所能得到的信息，距离太阳更远的飞船是无法获取的，例如太阳风的特殊结构。太阳风是从日冕层喷出的一股带电粒子流，帕克太阳探测器在其中再一次发现了被科学家们称为“折返”的现象。“折返”指太阳风的粒子流中呈折线形变化的现象，可能是由太阳风在行进过程中受到扰动而发生磁场翻转导致。多么酷的发现！

帕克太阳探测器绕日运行的渲染图。这架飞行器与太阳之间的距离史无前例地近。图片来自：美国国家航空航天局（NASA）、约翰霍普金斯大学应用物理实验室、史蒂夫·格里本

同一天，物理评论快报上的一篇同行评审文章同样发布了帕克太阳探测器第一次进入太阳外层大气时的探测结果。天体物理学杂志同样将探测结果收录并发表出来。

美国国家航天局总部的科学任务理事会副主任托马斯·祖布臣说：

接触到太阳表面对于太阳科学研究来说，确实是一个全新的里程碑，并且是一次值得铭记的壮举。这重要的一步不仅让我们对太阳的演化历史，以及太阳演化对整个太阳系的影响有了更加深入的认识，还能帮助我们更好地认识太阳系外广阔宇宙中的其他恒星。

除此之外，来自约翰霍普金斯大学应用物理实验室的努尔·拉瓦菲说：

帕克太阳探测器的飞行轨道距离太阳是如此之近，以至于如今它可以探测我们之前从来无法接触到的日冕层。日冕层是太阳大气中主要由磁场控制的气体层。我们从日冕层的磁场数据、太阳风相关的数据以及照片中可以找到探测器确实存在于日冕层中的证据。我们甚至可以在日全食的过程中看见帕克太阳探测器从日冕的火焰状结构中飞过。

触碰到太阳的过程看起来是怎么样的？有一点需要提及的是，当帕克太阳探测器飞过日冕层，或者称之为太阳细丝状的外层大气时，它穿过的结构被人们称为日冕飘带。日冕飘带结构在上图中可以看到，靠上一行的三张图片中是那些明亮的、方向向上的条带，而在靠下一行的图片中则是朝下的条带。这些都是在日全食的过程中能在月亮的暗影中看到的飘带状结构。并且，如今，我们的“机器使者”帕克太阳探测器已经接触到这些飘带，并且第一次对它们进行了测量。图片来自美国国家航空航天局、约翰霍普金斯大学应用物理实验室、海军研究实验室。

抵达阿尔文表面

2018年，美国国家航空航天局发射了帕克太阳探测器。帕克太阳探测器在绕日飞行的过程中，逐渐接近太阳，而科学家们也开始寻找飞行器抵达阿尔文表面的线索。阿尔文表面是太阳内的一个分界点，它标志着太阳大气层到此为止和太阳风开始出现。虽然太阳不存在固态的表面，但它确实存在一个边界，标志着在此范围外的物质不再被引力和磁场作用束缚在太阳周围。

太阳里面的物质中，拥有足够的能量，以至于可以跨越阿尔文表面的那些物质会以太阳风的形式冲出这层界面，并在冲出的同时拉拽太阳的磁场。一旦这些物质穿过阿尔文表面，它们极快的移动速度就将切断太阳风与太阳之间的力的联系，这也物质也就再也不会飞回太阳。

艺术家们对太阳风轰击火星的想象图，太阳风将火星外层大气的粒子剥离。图片来源：美国国家航空航天局/戈达德航天中心

科学家们曾估计，阿尔文表面大约位于距离太阳表面10至20个太阳半径的位置，相当于距太阳7，000，000至13，800，000千米远。当帕克太阳探测器最终绕到距太阳足够近的位置时，我们探测到它穿过阿尔文表面的位置，大约距太阳18。8倍太阳半径，也就是大约13，000，000千米的距离。在2021年4月28日，帕克太阳探测器首次进入了太阳的阿尔文表面内部。

来自BWX技术公司以及密歇根大学的贾斯汀·卡斯帕说：

曾经我们都十分期盼，在将来有那么一天，我们能走进日冕层并至少在那里停留一小段时间。但现在，我们已经做到了这一点，这是多么的激动人心！

图片显示了太阳的一部分，太阳周围有发光的物质层围绕，而帕克太阳探测器就在其边缘。这是艺术家对帕克太阳探测器的想象图，这架飞行器第一次抵达太阳。图片来自美国国家航空航天局。

太阳边界的特性

帕克太阳探测器发现，太阳的边界，也就是阿尔文表面，绝不是光滑的球面。它充满了褶皱。帕克太阳探测器从阿尔文表面的各种突起与凹陷中飞过，不断地在这层表面上穿入穿出。后来，这架飞行器达到了略小于15倍太阳半径的位置，也就是距离太阳表面约11，000，000千米。在这个距离范围内，它穿过了日冕层中被称为“伪流光”的特征结构。“伪流光”可以在日食期间观察到，它是从太阳表面升起的一些高耸的结构。

伪流光的内部就像台风眼一样，环境变得稳定，物质的移动变得缓慢，紧紧包裹在飞行器周围的粒子也因此变得松弛下来。在这个区域内，磁场的作用是控制粒子运动的最主要因素，这意味着帕克太阳探测去确实已经进入了阿尔文表面。

帕克太阳探测器仅仅在日冕层中度过了短暂的几小时，就再一次从太阳表面穿出。但这艘飞行器仍在绕着太阳运行，并在逐渐接近太阳，向着距离太阳表面约6。1千米的位置靠近。帕克太阳探测器下一次进入太阳的日冕层将会在2022年。来自美国国家航空航天局的尼古拉·福克斯说：

对于帕克太阳探测器在将来的几年内，多次穿越日冕层所能取得的发现，我感到十分的激动与期待。如今我们拥有的，是取得更多新发现的机会，并且这些机会将是无穷无尽的。

这幅图片展示了帕克太阳探测器逐渐接近太阳的过程。在它不断刷新人类与太阳之间的距离下限的同时，也做出了很多巨大的发现。图片来自美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心/ 玛丽·P·赫比克-基思。

太阳活动的极大期和折返现象

在太阳活动较强的时候，日冕将发生膨胀，尺寸变得更大。目前，太阳正处在第25个太阳周期中，并且将会在2025年到达太阳活动的极大年。在此期间，太阳的膨胀将意味着帕克太阳探测器可以在日冕中停留更长的时间。卡斯帕说：

这（太阳活动的极大期）对于帕克太阳探测器而言将是很重要的一段时间，因为目前我们认为，太阳的各种物理活动都会在此期间发生。现在我们正在逐渐接近这个时期，并且很有希望在此期间观察到一些太阳活动的细节过程。

目前，帕克太阳探测器已经对一些太阳的活动进行了探测，其中一个是太阳风的磁场线中的奇怪弯折。科学家们第一次观察到这种被称为“折返”的现象，是在上世纪90年代中，并且那时人们认为这种现象仅仅出现在太阳的极区。然而，在2019年，帕克太阳探测器遇见了这样的磁场弯折，发现这种现象其实是普遍存在于太阳的各个区域的。后来，这艘飞行器和太阳的距离达到了2019年时的一半，因此可以观察到这种弯折现象起源于太阳表面。帕克太阳探测器的发现证明，折返现象来自太阳的可见表面——光球层。