帕克太陽(yáng)探測(cè)器：第一艘觸及太陽(yáng)的飛船

帕克太陽(yáng)探測(cè)器，人類與太陽(yáng)間的信使

有一艘飛船，第一次真正地接觸到了太陽(yáng)。2021年12月14日，科學(xué)家們?cè)谟谛聤W爾良州召開(kāi)的美國(guó)地球物理聯(lián)合會(huì)會(huì)議上宣布了這一消息。他們說(shuō)，帕克太陽(yáng)探測(cè)器在2021年4月28日從束狀的日冕層，也就是太陽(yáng)最外層的大氣中穿過(guò)。在日全食期間，我們可以在月球的輪廓外側(cè)看見(jiàn)像是在燃燒中的火焰的日冕層。帕克太陽(yáng)探測(cè)器已經(jīng)在對(duì)日冕層中的粒子與磁場(chǎng)進(jìn)行采樣探測(cè)。

它所能得到的信息，距離太陽(yáng)更遠(yuǎn)的飛船是無(wú)法獲取的，例如太陽(yáng)風(fēng)的特殊結(jié)構(gòu)。太陽(yáng)風(fēng)是從日冕層噴出的一股帶電粒子流，帕克太陽(yáng)探測(cè)器在其中再一次發(fā)現(xiàn)了被科學(xué)家們稱為“折返”的現(xiàn)象。“折返”指太陽(yáng)風(fēng)的粒子流中呈折線形變化的現(xiàn)象，可能是由太陽(yáng)風(fēng)在行進(jìn)過(guò)程中受到擾動(dòng)而發(fā)生磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致。多么酷的發(fā)現(xiàn)！

帕克太陽(yáng)探測(cè)器繞日運(yùn)行的渲染圖。這架飛行器與太陽(yáng)之間的距離史無(wú)前例地近。圖片來(lái)自：美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室、史蒂夫·格里本

同一天，物理評(píng)論快報(bào)上的一篇同行評(píng)審文章同樣發(fā)布了帕克太陽(yáng)探測(cè)器第一次進(jìn)入太陽(yáng)外層大氣時(shí)的探測(cè)結(jié)果。天體物理學(xué)雜志同樣將探測(cè)結(jié)果收錄并發(fā)表出來(lái)。

美國(guó)國(guó)家航天局總部的科學(xué)任務(wù)理事會(huì)副主任托馬斯·祖布臣說(shuō)：

接觸到太陽(yáng)表面對(duì)于太陽(yáng)科學(xué)研究來(lái)說(shuō)，確實(shí)是一個(gè)全新的里程碑，并且是一次值得銘記的壯舉。這重要的一步不僅讓我們對(duì)太陽(yáng)的演化歷史，以及太陽(yáng)演化對(duì)整個(gè)太陽(yáng)系的影響有了更加深入的認(rèn)識(shí)，還能幫助我們更好地認(rèn)識(shí)太陽(yáng)系外廣闊宇宙中的其他恒星。

除此之外，來(lái)自約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的努爾·拉瓦菲說(shuō)：

帕克太陽(yáng)探測(cè)器的飛行軌道距離太陽(yáng)是如此之近，以至于如今它可以探測(cè)我們之前從來(lái)無(wú)法接觸到的日冕層。日冕層是太陽(yáng)大氣中主要由磁場(chǎng)控制的氣體層。我們從日冕層的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)、太陽(yáng)風(fēng)相關(guān)的數(shù)據(jù)以及照片中可以找到探測(cè)器確實(shí)存在于日冕層中的證據(jù)。我們甚至可以在日全食的過(guò)程中看見(jiàn)帕克太陽(yáng)探測(cè)器從日冕的火焰狀結(jié)構(gòu)中飛過(guò)。

觸碰到太陽(yáng)的過(guò)程看起來(lái)是怎么樣的？有一點(diǎn)需要提及的是，當(dāng)帕克太陽(yáng)探測(cè)器飛過(guò)日冕層，或者稱之為太陽(yáng)細(xì)絲狀的外層大氣時(shí)，它穿過(guò)的結(jié)構(gòu)被人們稱為日冕飄帶。日冕飄帶結(jié)構(gòu)在上圖中可以看到，靠上一行的三張圖片中是那些明亮的、方向向上的條帶，而在靠下一行的圖片中則是朝下的條帶。這些都是在日全食的過(guò)程中能在月亮的暗影中看到的飄帶狀結(jié)構(gòu)。并且，如今，我們的“機(jī)器使者”帕克太陽(yáng)探測(cè)器已經(jīng)接觸到這些飄帶，并且第一次對(duì)它們進(jìn)行了測(cè)量。圖片來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局、約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室、海軍研究實(shí)驗(yàn)室。

抵達(dá)阿爾文表面

2018年，美國(guó)國(guó)家航空航天局發(fā)射了帕克太陽(yáng)探測(cè)器。帕克太陽(yáng)探測(cè)器在繞日飛行的過(guò)程中，逐漸接近太陽(yáng)，而科學(xué)家們也開(kāi)始尋找飛行器抵達(dá)阿爾文表面的線索。阿爾文表面是太陽(yáng)內(nèi)的一個(gè)分界點(diǎn)，它標(biāo)志著太陽(yáng)大氣層到此為止和太陽(yáng)風(fēng)開(kāi)始出現(xiàn)。雖然太陽(yáng)不存在固態(tài)的表面，但它確實(shí)存在一個(gè)邊界，標(biāo)志著在此范圍外的物質(zhì)不再被引力和磁場(chǎng)作用束縛在太陽(yáng)周圍。

太陽(yáng)里面的物質(zhì)中，擁有足夠的能量，以至于可以跨越阿爾文表面的那些物質(zhì)會(huì)以太陽(yáng)風(fēng)的形式?jīng)_出這層界面，并在沖出的同時(shí)拉拽太陽(yáng)的磁場(chǎng)。一旦這些物質(zhì)穿過(guò)阿爾文表面，它們極快的移動(dòng)速度就將切斷太陽(yáng)風(fēng)與太陽(yáng)之間的力的聯(lián)系，這也物質(zhì)也就再也不會(huì)飛回太陽(yáng)。

藝術(shù)家們對(duì)太陽(yáng)風(fēng)轟擊火星的想象圖，太陽(yáng)風(fēng)將火星外層大氣的粒子剝離。圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家航空航天局/戈達(dá)德航天中心

科學(xué)家們?cè)烙?jì)，阿爾文表面大約位于距離太陽(yáng)表面10至20個(gè)太陽(yáng)半徑的位置，相當(dāng)于距太陽(yáng)7，000，000至13，800，000千米遠(yuǎn)。當(dāng)帕克太陽(yáng)探測(cè)器最終繞到距太陽(yáng)足夠近的位置時(shí)，我們探測(cè)到它穿過(guò)阿爾文表面的位置，大約距太陽(yáng)18.8倍太陽(yáng)半徑，也就是大約13，000，000千米的距離。在2021年4月28日，帕克太陽(yáng)探測(cè)器首次進(jìn)入了太陽(yáng)的阿爾文表面內(nèi)部。

來(lái)自BWX技術(shù)公司以及密歇根大學(xué)的賈斯汀·卡斯帕說(shuō)：

曾經(jīng)我們都十分期盼，在將來(lái)有那么一天，我們能走進(jìn)日冕層并至少在那里停留一小段時(shí)間。但現(xiàn)在，我們已經(jīng)做到了這一點(diǎn)，這是多么的激動(dòng)人心！

圖片顯示了太陽(yáng)的一部分，太陽(yáng)周圍有發(fā)光的物質(zhì)層圍繞，而帕克太陽(yáng)探測(cè)器就在其邊緣。這是藝術(shù)家對(duì)帕克太陽(yáng)探測(cè)器的想象圖，這架飛行器第一次抵達(dá)太陽(yáng)。圖片來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局。

太陽(yáng)邊界的特性

帕克太陽(yáng)探測(cè)器發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)的邊界，也就是阿爾文表面，絕不是光滑的球面。它充滿了褶皺。帕克太陽(yáng)探測(cè)器從阿爾文表面的各種突起與凹陷中飛過(guò)，不斷地在這層表面上穿入穿出。后來(lái)，這架飛行器達(dá)到了略小于15倍太陽(yáng)半徑的位置，也就是距離太陽(yáng)表面約11，000，000千米。在這個(gè)距離范圍內(nèi)，它穿過(guò)了日冕層中被稱為“偽流光”的特征結(jié)構(gòu)?！皞瘟鞴狻笨梢栽谌帐称陂g觀察到，它是從太陽(yáng)表面升起的一些高聳的結(jié)構(gòu)。

偽流光的內(nèi)部就像臺(tái)風(fēng)眼一樣，環(huán)境變得穩(wěn)定，物質(zhì)的移動(dòng)變得緩慢，緊緊包裹在飛行器周圍的粒子也因此變得松弛下來(lái)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，磁場(chǎng)的作用是控制粒子運(yùn)動(dòng)的最主要因素，這意味著帕克太陽(yáng)探測(cè)去確實(shí)已經(jīng)進(jìn)入了阿爾文表面。

帕克太陽(yáng)探測(cè)器僅僅在日冕層中度過(guò)了短暫的幾小時(shí)，就再一次從太陽(yáng)表面穿出。但這艘飛行器仍在繞著太陽(yáng)運(yùn)行，并在逐漸接近太陽(yáng)，向著距離太陽(yáng)表面約6.1千米的位置靠近。帕克太陽(yáng)探測(cè)器下一次進(jìn)入太陽(yáng)的日冕層將會(huì)在2022年。來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局的尼古拉·?？怂拐f(shuō)：

對(duì)于帕克太陽(yáng)探測(cè)器在將來(lái)的幾年內(nèi)，多次穿越日冕層所能取得的發(fā)現(xiàn)，我感到十分的激動(dòng)與期待。如今我們擁有的，是取得更多新發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)，并且這些機(jī)會(huì)將是無(wú)窮無(wú)盡的。

這幅圖片展示了帕克太陽(yáng)探測(cè)器逐漸接近太陽(yáng)的過(guò)程。在它不斷刷新人類與太陽(yáng)之間的距離下限的同時(shí)，也做出了很多巨大的發(fā)現(xiàn)。圖片來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心/ 瑪麗·P·赫比克-基思。

太陽(yáng)活動(dòng)的極大期和折返現(xiàn)象

在太陽(yáng)活動(dòng)較強(qiáng)的時(shí)候，日冕將發(fā)生膨脹，尺寸變得更大。目前，太陽(yáng)正處在第25個(gè)太陽(yáng)周期中，并且將會(huì)在2025年到達(dá)太陽(yáng)活動(dòng)的極大年。在此期間，太陽(yáng)的膨脹將意味著帕克太陽(yáng)探測(cè)器可以在日冕中停留更長(zhǎng)的時(shí)間?？ㄋ古琳f(shuō)：

這（太陽(yáng)活動(dòng)的極大期）對(duì)于帕克太陽(yáng)探測(cè)器而言將是很重要的一段時(shí)間，因?yàn)槟壳拔覀冋J(rèn)為，太陽(yáng)的各種物理活動(dòng)都會(huì)在此期間發(fā)生?，F(xiàn)在我們正在逐漸接近這個(gè)時(shí)期，并且很有希望在此期間觀察到一些太陽(yáng)活動(dòng)的細(xì)節(jié)過(guò)程。

目前，帕克太陽(yáng)探測(cè)器已經(jīng)對(duì)一些太陽(yáng)的活動(dòng)進(jìn)行了探測(cè)，其中一個(gè)是太陽(yáng)風(fēng)的磁場(chǎng)線中的奇怪彎折?？茖W(xué)家們第一次觀察到這種被稱為“折返”的現(xiàn)象，是在上世紀(jì)90年代中，并且那時(shí)人們認(rèn)為這種現(xiàn)象僅僅出現(xiàn)在太陽(yáng)的極區(qū)。然而，在2019年，帕克太陽(yáng)探測(cè)器遇見(jiàn)了這樣的磁場(chǎng)彎折，發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象其實(shí)是普遍存在于太陽(yáng)的各個(gè)區(qū)域的。后來(lái)，這艘飛行器和太陽(yáng)的距離達(dá)到了2019年時(shí)的一半，因此可以觀察到這種彎折現(xiàn)象起源于太陽(yáng)表面。帕克太陽(yáng)探測(cè)器的發(fā)現(xiàn)證明，折返現(xiàn)象來(lái)自太陽(yáng)的可見(jiàn)表面——光球?qū)印?/p>

帕克太陽(yáng)探測(cè)器發(fā)現(xiàn)，折返現(xiàn)象在太陽(yáng)的片斑中出現(xiàn)，并且其中的氦元素含量比其他元素更高，這意味著它們來(lái)自光球?qū)?。帕克太?yáng)探測(cè)器同時(shí)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)折返現(xiàn)象的片斑與太陽(yáng)表面的磁漏斗對(duì)齊。這種被稱為磁漏斗的結(jié)構(gòu)從光球?qū)又谐霈F(xiàn)，位于太陽(yáng)表面對(duì)流形成超米粒組織之間。

現(xiàn)在，科學(xué)家們認(rèn)為，這些磁漏斗或許也是快太陽(yáng)風(fēng)的起源。來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校的斯圖爾特·貝爾說(shuō)：

在日冕層的基部，折返現(xiàn)象出現(xiàn)的區(qū)域和磁場(chǎng)的小范圍漏斗狀結(jié)構(gòu)的位置相吻合。這正是我們通過(guò)一些理論研究預(yù)測(cè)的結(jié)果，并且一定程度上解釋了太陽(yáng)風(fēng)自身的來(lái)源問(wèn)題。

帕克太陽(yáng)探測(cè)器：更多的未解之謎

隨著天文學(xué)家們對(duì)太陽(yáng)風(fēng)和折返現(xiàn)象的了解越來(lái)越深入，他們希望這些知識(shí)能夠幫助他們解決一個(gè)困擾天文學(xué)界良久的謎題：為何日冕層的溫度遠(yuǎn)高于太陽(yáng)表面。貝爾說(shuō)：

我有一種直覺(jué)，當(dāng)我們將帕克太陽(yáng)探測(cè)器的任務(wù)繼續(xù)下去，并且更加接近太陽(yáng)的時(shí)候，我們將對(duì)磁漏斗和折返現(xiàn)象的聯(lián)系有更加深刻的認(rèn)識(shí)，并且很有機(jī)會(huì)探明它們是如何起源的。

關(guān)于日冕層為何被加熱到如此高的溫度，以及是什么在推動(dòng)太陽(yáng)風(fēng)粒子加速到超過(guò)音速，都是科學(xué)家們希望了解更多的問(wèn)題。如果這些問(wèn)題能夠得到解決，科學(xué)家們就能夠更好地理解并預(yù)測(cè)空間天氣事件，也就是預(yù)測(cè)那些可能影響地球環(huán)境以及地球上的各種設(shè)備的太陽(yáng)活動(dòng)。

美國(guó)國(guó)家航空航天局總部，帕克太陽(yáng)探測(cè)項(xiàng)目的執(zhí)行人約瑟夫·史密斯說(shuō)：

看見(jiàn)我們的尖端科技成果在讓帕克太陽(yáng)探測(cè)器更加接近太陽(yáng)的嘗試中取得了成功，它還能夠?yàn)槲覀儙?lái)如此美妙的科學(xué)成果，我們真的非常激動(dòng)。當(dāng)然，我們也十分期待，未來(lái)幾年在它向著太陽(yáng)繼續(xù)靠近的旅程中，還能帶來(lái)怎樣的發(fā)現(xiàn)。

總結(jié)：帕克太陽(yáng)探測(cè)器是第一艘觸及太陽(yáng)的飛船，它在2021年4月進(jìn)入了太陽(yáng)的日冕層，并對(duì)日冕層中的大氣進(jìn)行了采樣分析。

BY：凱利·凱澤·惠特

FY: 莫語(yǔ)諶

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