探寻阳光背后的奥秘

原创：牧夫天文

综合编译：饶世豪

校对：牧夫天文校对组

后台：库特莉亚芙卡 李子琦

太阳是宇宙中一颗普普通通的恒星，虽然它孕育着地球苍生，但我们对它知之甚少！我们迫切地需要了解它，一是因为它直接影响着我们的，比如1989年3月强大的太阳日冕物质抛射致使北美地区多出电力设备故障；二是研究太阳对于研究宇宙中其它众多遥远恒星的形成和演化有极大的帮助。太阳磁场如何产生，太阳风如何在极薄的过渡区内完成约6000摄氏度到百万摄氏度的骤变，都是科学家们迫切想研究清楚的科学问题。

对于帕克太阳探针(Parker
Solar
Probe)，我想天文爱好者们不会太陌生。两年前，您可能还在上面留下过姓名（携带一枚含有公众名字的微芯片，随探测器一起近距离接近太阳。1137202个名字被提交并得到确认）。而NASA官网是这样介绍帕克任务的：“为了解开日冕的奥秘，也为了保护一个日益依赖科技的世界免受空间环境的威胁，我们将发射帕克太阳探针去更好地理解太阳。”就在上周，帕克太阳探针已经发布了它的第一批研究成果。

1.磁力线“S”形大转弯

下图摄影作品捕捉到短跑明星博尔特的回眸——跑在最前方的他竟然回头看了一眼，这在短跑比赛中非常少见。

Credit：bing.com

对于太阳磁场，更难以想象的事情发生了，帕克太阳探针传回的数据表明，从太阳中心指向外的径向磁场在某些区域发生了反转，但又在很短的时间内扭转回来，这时候，太阳风携带的高速粒子也会突然拐弯。

太阳磁场反转

Credit：NASA

上面的动图中，丝状物质的运动代表粒子的运动，白色带状即是太阳风中的磁场。科学家还发现，太阳风中的磁场常常和等离子体的运动耦合在一起，他们利用沿着磁场运动的高速电子束，研究磁场的几何构型，这一方法帮助他们解释了磁力线S形反转的原因。下图是太阳磁场模拟，太阳赤道附近的冕洞是他们推测的慢速太阳风起源地。

Credit: S. D. Bale et al.

2.等离子体剧烈扰动

太阳是由等离子体组成的，太阳的各种性质和等离子体活动密切相关，但令天文学家们没有想到的是，太阳中等离子体对太阳动力学活动的扰动远大于预期。这种扰动对于太阳动力学的研究影响是巨大的，就好比你在家里怎么也找不到自己的钥匙，想尽各种自己可能放钥匙的地方都无果，最后想起，家里有一个调皮的熊孩子，不知道把钥匙藏哪儿去了。

3.太阳附近“超速”旋转的太阳风

帕克太阳探针探测到，太阳附近的太阳风并不是完全径向的，它们有随着太阳自转的速度分量，虽然科学家们早就预测到了这一点，但探测到的35~50km/s的速度，远大于之前理论预测的数公里每秒。在此，太阳风也更快地“准直”，形成到达地球后严格径向的太阳风，这一发现对现有的日冕区相关的理论，恒星在演化后期，如何丢失它们的角动量而自转减速，再次成为了恒星物理的难题。

Credit：NASA

4.太阳附近高能粒子的产生

以前的研究推测，太阳粒子由几千电子伏特上升到近相对论性速度主要由两种过程造成，其一是较为剧烈的过程，这一过程常与太阳耀斑中的磁重联挂钩；其二是比较平缓的激波产生。最新观测表明，太阳的高能粒子还有更多产生方式，只是它们中不是所有都能到达地球。近距离观测太阳的帕克太阳探针，正弥补了之前探测器的不足。

下图中黑线分别表示帕克太阳探针两次绕日轨迹，轨道内部的条状图表示低能量粒子，外部的则表示高能量粒子，颜色和条状图高度都显示了探测到的粒子数密度。

Credit：D. J. McComas et al.

美国国家大气研究中心的太阳物理学家萨拉·吉布森(Sarah Gibson)非常形象地描述：“就像研究瀑布一样，你不爬到瀑布顶端去看，你永远不知道上面的石头缝里是不是藏着一个自动洒水装置。”

5.无尘区

通过日食时候的地面观测，可以看到太阳光球层的光被日冕中的电子和尘埃散射，这大概有0.3个日地距离，然而由于太阳高强度的辐射，太过于靠近太阳的尘埃会被“蒸发”掉，帕克太阳探针的观测证实了这一“无尘区”的存在。

目前的帕克太阳探针只走过了两次绕日轨道，它共有24次绕日轨道要走，目前它距离太阳最近处仍有35倍太阳半径，时间再往后推，它会达到惊人的9.5倍太阳半径处，能够更近距离地观测我们所赖以生存的恒星。帕克太阳探针已经发布的第一批数据不出所料，提出新的问题远比回答从前的问题还要多，它之后所探测到的数据，无疑会给太阳物理界带来一次巨大的革新。

展望2020年，欧空局(ESA)的太阳轨道器(Solar Orbiter)也要发射升空，它的轨道倾角将达到30°~40°，不像帕克太阳探针几乎只能单点探测那样，它还可以给太阳“照相”，有助于科学家们更全方位地理解太阳这颗普通而又意义非凡的恒星。

引申阅读

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1818-7#citeas

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1807-x

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1813-z

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1811-1

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03684-0

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03665-3

『天文时刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

Solar Orbiter概念图

Credit：http://www.ohb-sweden.se