有一艘飛船，第一次真正地接觸到了太陽。2021年12月14日，科學(xué)家們在于新奧爾良州召開的美國地球物理聯(lián)合會會議上宣布了這一消息。他們說，帕克太陽探測器在2021年4月28日從束狀的日冕層，也就是太陽最外層的大氣中穿過。在日全食期間，我們可以在月球的輪廓外側(cè)看見像是在燃燒中的火焰的日冕層。帕克太陽探測器已經(jīng)在對日冕層中的粒子與磁場進行采樣探測。
它所能得到的信息，距離太陽更遠的飛船是無法獲取的，例如太陽風(fēng)的特殊結(jié)構(gòu)。太陽風(fēng)是從日冕層噴出的一股帶電粒子流，帕克太陽探測器在其中再一次發(fā)現(xiàn)了被科學(xué)家們稱為“折返”的現(xiàn)象?！罢鄯怠敝柑栵L(fēng)的粒子流中呈折線形變化的現(xiàn)象，可能是由太陽風(fēng)在行進過程中受到擾動而發(fā)生磁場翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致。多么酷的發(fā)現(xiàn)！
帕克太陽探測器繞日運行的渲染圖。這架飛行器與太陽之間的距離史無前例地近。圖片來自：美國國家航空航天局（NASA）、約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室、史蒂夫·格里本
同一天，物理評論快報上的一篇同行評審文章同樣發(fā)布了帕克太陽探測器第一次進入太陽外層大氣時的探測結(jié)果。天體物理學(xué)雜志同樣將探測結(jié)果收錄并發(fā)表出來。
美國國家航天局總部的科學(xué)任務(wù)理事會副主任托馬斯·祖布臣說：
接觸到太陽表面對于太陽科學(xué)研究來說，確實是一個全新的里程碑，并且是一次值得銘記的壯舉。這重要的一步不僅讓我們對太陽的演化歷史，以及太陽演化對整個太陽系的影響有了更加深入的認識，還能幫助我們更好地認識太陽系外廣闊宇宙中的其他恒星。
除此之外，來自約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的努爾·拉瓦菲說：
帕克太陽探測器的飛行軌道距離太陽是如此之近，以至于如今它可以探測我們之前從來無法接觸到的日冕層。日冕層是太陽大氣中主要由磁場控制的氣體層。我們從日冕層的磁場數(shù)據(jù)、太陽風(fēng)相關(guān)的數(shù)據(jù)以及照片中可以找到探測器確實存在于日冕層中的證據(jù)。我們甚至可以在日全食的過程中看見帕克太陽探測器從日冕的火焰狀結(jié)構(gòu)中飛過。
觸碰到太陽的過程看起來是怎么樣的？有一點需要提及的是，當(dāng)帕克太陽探測器飛過日冕層，或者稱之為太陽細絲狀的外層大氣時，它穿過的結(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“機器使者”帕克太陽探測器已經(jīng)接觸到這些飄帶，并且第一次對它們進行了測量。圖片來自美國國家航空航天局、約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室、海軍研究實驗室。
抵達阿爾文表面
2018年，美國國家航空航天局發(fā)射了帕克太陽探測器。帕克太陽探測器在繞日飛行的過程中，逐漸接近太陽，而科學(xué)家們也開始尋找飛行器抵達阿爾文表面的線索。阿爾文表面是太陽內(nèi)的一個分界點，它標(biāo)志著太陽大氣層到此為止和太陽風(fēng)開始出現(xiàn)。雖然太陽不存在固態(tài)的表面，但它確實存在一個邊界，標(biāo)志著在此范圍外的物質(zhì)不再被引力和磁場作用束縛在太陽周圍。
太陽里面的物質(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)會以太陽風(fēng)的形式?jīng)_出這層界面，并在沖出的同時拉拽太陽的磁場。一旦這些物質(zhì)穿過阿爾文表面，它們極快的移動速度就將切斷太陽風(fēng)與太陽之間的力的聯(lián)系，這也物質(zhì)也就再也不會飛回太陽。
藝術(shù)家們對太陽風(fēng)轟擊火星的想象圖，太陽風(fēng)將火星外層大氣的粒子剝離。圖片來源：美國國家航空航天局/戈達德航天中心
科學(xué)家們曾估計，阿爾文表面大約位于距離太陽表面10至20個太陽半徑的位置，相當(dāng)于距太陽7，000，000至13，800，000千米遠。當(dāng)帕克太陽探測器最終繞到距太陽足夠近的位置時，我們探測到它穿過阿爾文表面的位置，大約距太陽18.8倍太陽半徑，也就是大約13，000，000千米的距離。在2021年4月28日，帕克太陽探測器首次進入了太陽的阿爾文表面內(nèi)部。
來自BWX技術(shù)公司以及密歇根大學(xué)的賈斯汀·卡斯帕說：
曾經(jīng)我們都十分期盼，在將來有那么一天，我們能走進日冕層并至少在那里停留一小段時間。但現(xiàn)在，我們已經(jīng)做到了這一點，這是多么的激動人心！
圖片顯示了太陽的一部分，太陽周圍有發(fā)光的物質(zhì)層圍繞，而帕克太陽探測器就在其邊緣。這是藝術(shù)家對帕克太陽探測器的想象圖，這架飛行器第一次抵達太陽。圖片來自美國國家航空航天局。
太陽邊界的特性
帕克太陽探測器發(fā)現(xiàn)，太陽的邊界，也就是阿爾文表面，絕不是光滑的球面。它充滿了褶皺。帕克太陽探測器從阿爾文表面的各種突起與凹陷中飛過，不斷地在這層表面上穿入穿出。后來，這架飛行器達到了略小于15倍太陽半徑的位置，也就是距離太陽表面約11，000，000千米。在這個距離范圍內(nèi)，它穿過了日冕層中被稱為“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，它是從太陽表面升起的一些高聳的結(jié)構(gòu)。
偽流光的內(nèi)部就像臺風(fēng)眼一樣，環(huán)境變得穩(wěn)定，物質(zhì)的移動變得緩慢，緊緊包裹在飛行器周圍的粒子也因此變得松弛下來。在這個區(qū)域內(nèi)，磁場的作用是控制粒子運動的最主要因素，這意味著帕克太陽探測去確實已經(jīng)進入了阿爾文表面。
帕克太陽探測器僅僅在日冕層中度過了短暫的幾小時，就再一次從太陽表面穿出。但這艘飛行器仍在繞著太陽運行，并在逐漸接近太陽，向著距離太陽表面約6.1千米的位置靠近。帕克太陽探測器下一次進入太陽的日冕層將會在2022年。來自美國國家航空航天局的尼古拉·福克斯說：
對于帕克太陽探測器在將來的幾年內(nèi)，多次穿越日冕層所能取得的發(fā)現(xiàn)，我感到十分的激動與期待。如今我們擁有的，是取得更多新發(fā)現(xiàn)的機會，并且這些機會將是無窮無盡的。
這幅圖片展示了帕克太陽探測器逐漸接近太陽的過程。在它不斷刷新人類與太陽之間的距離下限的同時，也做出了很多巨大的發(fā)現(xiàn)。圖片來自美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心/ 瑪麗·P·赫比克-基思。
太陽活動的極大期和折返現(xiàn)象
在太陽活動較強的時候，日冕將發(fā)生膨脹，尺寸變得更大。目前，太陽正處在第25個太陽周期中，并且將會在2025年到達太陽活動的極大年。在此期間，太陽的膨脹將意味著帕克太陽探測器可以在日冕中停留更長的時間。卡斯帕說：
這（太陽活動的極大期）對于帕克太陽探測器而言將是很重要的一段時間，因為目前我們認為，太陽的各種物理活動都會在此期間發(fā)生?，F(xiàn)在我們正在逐漸接近這個時期，并且很有希望在此期間觀察到一些太陽活動的細節(jié)過程。
目前，帕克太陽探測器已經(jīng)對一些太陽的活動進行了探測，其中一個是太陽風(fēng)的磁場線中的奇怪彎折?？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，并且那時人們認為這種現(xiàn)象僅僅出現(xiàn)在太陽的極區(qū)。然而，在2019年，帕克太陽探測器遇見了這樣的磁場彎折，發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象其實是普遍存在于太陽的各個區(qū)域的。后來，這艘飛行器和太陽的距離達到了2019年時的一半，因此可以觀察到這種彎折現(xiàn)象起源于太陽表面。帕克太陽探測器的發(fā)現(xiàn)證明，折返現(xiàn)象來自太陽的可見表面——光球?qū)印?/p>
帕克太陽探測器發(fā)現(xiàn)，折返現(xiàn)象在太陽的片斑中出現(xiàn)，并且其中的氦元素含量比其他元素更高，這意味著它們來自光球?qū)?。帕克太陽探測器同時發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)折返現(xiàn)象的片斑與太陽表面的磁漏斗對齊。這種被稱為磁漏斗的結(jié)構(gòu)從光球?qū)又谐霈F(xiàn)，位于太陽表面對流形成超米粒組織之間。
現(xiàn)在，科學(xué)家們認為，這些磁漏斗或許也是快太陽風(fēng)的起源。來自加州大學(xué)伯克利分校的斯圖爾特·貝爾說：
在日冕層的基部，折返現(xiàn)象出現(xiàn)的區(qū)域和磁場的小范圍漏斗狀結(jié)構(gòu)的位置相吻合。這正是我們通過一些理論研究預(yù)測的結(jié)果，并且一定程度上解釋了太陽風(fēng)自身的來源問題。
帕克太陽探測器：更多的未解之謎
隨著天文學(xué)家們對太陽風(fēng)和折返現(xiàn)象的了解越來越深入，他們希望這些知識能夠幫助他們解決一個困擾天文學(xué)界良久的謎題：為何日冕層的溫度遠高于太陽表面。貝爾說：
我有一種直覺，當(dāng)我們將帕克太陽探測器的任務(wù)繼續(xù)下去，并且更加接近太陽的時候，我們將對磁漏斗和折返現(xiàn)象的聯(lián)系有更加深刻的認識，并且很有機會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，以及是什么在推動太陽風(fēng)粒子加速到超過音速，都是科學(xué)家們希望了解更多的問題。如果這些問題能夠得到解決，科學(xué)家們就能夠更好地理解并預(yù)測空間天氣事件，也就是預(yù)測那些可能影響地球環(huán)境以及地球上的各種設(shè)備的太陽活動。
美國國家航空航天局總部，帕克太陽探測項目的執(zhí)行人約瑟夫·史密斯說：
看見我們的尖端科技成果在讓帕克太陽探測器更加接近太陽的嘗試中取得了成功，它還能夠為我們帶來如此美妙的科學(xué)成果，我們真的非常激動。當(dāng)然，我們也十分期待，未來幾年在它向著太陽繼續(xù)靠近的旅程中，還能帶來怎樣的發(fā)現(xiàn)。
總結(jié)：帕克太陽探測器是第一艘觸及太陽的飛船，它在2021年4月進入了太陽的日冕層，并對日冕層中的大氣進行了采樣分析。
BY：凱利·凱澤·惠特
FY: 莫語諶
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