编译 徐文慧
编辑 魏潇
帕克太阳探测器以现代太阳风和磁重联理论的奠基人、美国科学院院士——尤金·纽曼·帕克（Eugene Newman Parker）的名字命名，将在发射 7 年后到达史上人类距离太阳的最近位置——距离太阳表面仅有约 600 万千米，开展人类历史上第一次太阳活动的源头采样。
而遥远的太阳之上，正上演着不为人知的秘密一幕：越是离开炽热表面，大气越是违背逻辑地持续升温。
从 5,000℃ 的太阳表面出发，向外 1600 公里到达色球层，温度缓慢上升至 7000 多摄氏度；而再往外 400 公里，到达太阳的大气最外层日冕（corona），温度则会卯足了劲儿地上升，直到百万多摄氏度——在这里，矛盾出现了：太阳的能流来自于内部的热核反应，从太阳中心一直往外，温度应该是一路降低的。
日冕的反常剧烈增温之谜，发现至今已 70 多年，仍然是天体物理学中极为重要且悬而未决的问题，被称为日冕加热问题（coronal heating problem），它直接关系到我们对太阳和恒星大气动力学过程的理解。
阴雨或是晴云，从地球上的我们看来，太阳似乎永远都是一个模样，不曾改变过外观。若能将目光拉近，你会发现，这颗我们最亲近的恒星无时无刻不在进行着戏剧化的生命演化。它的表面动荡不安，强烈的辐射喷涌爆发，溅射到太阳系的每个角落，成为破坏无线电通信、伤害卫星和宇航员、干扰电网的凶手。
而在表面上方的日冕中，等离子体充斥，气体因温度极高而分离成离子和自由电子流，并向外形成太阳风（solar wind），这种超音速等离子体流最终渗入整个太阳系。
了解19世纪天文学家如何在日食期间首次发现这一谜团的证据，以及科学家们今天认为可能解释它的理论。
视频来源：NASA’s Goddard Space Flight Center /Joy Ng
拥有150年历史的谜团在复杂的观测仪器和宇宙航行之前，从地球上研究日冕的唯一方法，就是在全日食期间观测太阳周围的朦胧光晕。我们对日冕的大部分了解，都要感谢月亮在日全食期间阻挡了太阳耀眼的面庞。
1869 年的日全食，一条奇怪的绿色谱线引发了一个令科学家们困扰了 150 年的难题。
不同的元素电子跃迁释放出的能量波长不同，对太阳发出的光进行光谱分析可以识别其成分。而这条奇怪的绿线，无法对应任意一种地球上的已知元素。在当时，科学家们认为他们发现了一种新元素，甚至命名为“癚”（读音dàn，coronium）。
这张照片是在2017年8月21日的日全食期间，在俄勒冈州马德拉斯拍摄的。
图片来源：NASA’s Goddard Space Flight Center /Gopalswamy
七十多年后的 1941 年，瑞典物理学家本特·埃德伦（Bengt Edlén）才第一次发现，原来这道奇怪的绿线并非来自新元素，而是来自再普通不过的铁。不同寻常的是，这里的铁因过热被电离了 13 次，铁原子丢失了一半的电子。如此高电离程度的发生，日冕温度只有达到上百万摄氏度才能达成——这就是当代天文学的八大难题之一：日冕加热问题。
解释了蒙娜丽莎般绿色谱线的来源，天体物理学家们陷入了更深更复杂的谜团中。
密歇根大学安娜堡分校（University of Michigan in Ann Arbor）的太空科学家，帕克太阳探测器上“太阳风 α 电子和质子调查”（Solar Wind Electrons Alphas and Protons Investigation，SWEAP）这一仪器组件的首席调查员贾斯汀·卡斯帕（Justin Kasper）说：“日冕加热问题涵盖了好几个相关的谜团。首先，日冕如何迅速升温？其次，加热是如何持续的？不同的元素又如何以不同的速率加热？ ”
为了了解炽热的日冕背后的秘密，科学家们用尽了一切可能的办法，从高分辨率的观测仪器和复杂的模型，到全天候观察太阳的宇宙飞船，却都没能给出一个完美的答案。毕竟我们离日冕太远了，足足隔了 1.5 亿公里，太阳风到达近地的航天器需要 4 天之久，其间难免混入其他颗粒，失去原本的模样。
这就是我们需要帕克太阳探测器的理由：它将飞越日冕，探寻其运作的线索，为科学家提供解决日冕加热问题的机会。
在太阳表面上方，等离子体缠绕的日冕延伸数百万公里，最终，它继续向外作为太阳风，即超音速等离子体流渗透整个太阳系。
图片来源：NASA’s Goddard Space Flight Center/Lisa Poje/Genna Duberstein
如果能深入日冕，帕克太阳探测器就能收集到刚刚加热的新鲜粒子，消除 1.5 亿公里旅途的不确定性，呈现给科学家们有史以来最准确的日冕测量值。
约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University）应用物理实验室的太阳物理学家、负责帕克太阳探测器项目的努尔·拉乌夫（Nour Raouafi）表示：“我们意识到，在发送探测器对日冕本身进行测量之前，我们永远无法完全解决日冕加热问题。”
向太阳进发的想法其实很早就有了，科学家们花了几十年来设计能够达到这一要求的航天器，同时也明确了所需要的数据。日冕加热这个终极问题需要万全的准备。
解释日冕的秘密关于日冕加热机制，科学家们提出了多种可能解释——从 70 年前的太阳表面附近湍流产生声波向上传播加热，到现在被学界主流认可的两大理论——但一切仍需要更确切的观测数据来考核。此次发射的帕克太阳探测器将测试两种主要理论。
NASA与日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）合作的日出卫星（Hinode）拍摄的特写：太阳对流或沸腾运动在右侧形成一个小的太阳黑子。
图片来源：NASA / JAXA / Hinode
理论一：电磁波加热机制。太阳光球附近的湍流运动激发一定频率的波向上传播，波动携带的能量在色球层和日冕中与等离子体相互作用，实现加热。最重要的加热波动模式之一被称为阿尔芬波（Alfvén wave），简单来说就像海浪加速冲浪者驶向海岸。
理论二：纳耀斑（nanoflare）模型。太阳表面时刻都在发生的纳耀斑活动会释放能量，传递热量到日冕实现加热。纳耀斑是相比于太阳耀斑远小得多的磁场重联过程爆发产生的，太阳表面上的各种对流运动带动磁力线产生剪切、汇聚、扭曲等运动，会在太阳色球和日冕中激发各种尺度的磁场重联。
许多科学家认为两者都可能参与加热日冕，引发纳耀斑的磁场重联也可以发射阿尔芬波，然后进一步加热周围的等离子体。
NASA 戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center）的太空科学家埃里克·克里斯蒂安（Eric Christian）说：“我们就要接近真相了，帕克太阳探测器也会以太阳自转的速度绕太阳运行，在一个特定的位置观测，日冕加热的过程将呈现在我们眼前。”
见证面纱背后秘密此次航天器携带的 4 个仪器组件中的 2 个将用于研究日冕加热问题，分别是 FIELDS 和 SWEAP 。
FIELDS 由加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）的团队领导研发，将直接测量太阳大气中的电场和磁场，了解加热太阳风的湍流冲击、电磁波和磁场重联。
SWEAP 由马萨诸塞州剑桥的哈佛-史密森天体物理天文台（Harvard-Smithsonian Astrophysical Observatory）主导研发，将收集热等离子体本身的数据，统计太阳风中的电子、质子和氦离子这些最丰富粒子的数量，测量它们的温度、加热后的速度以及移动方向。
“我们有机会把温度计固定在日冕上，直接观察温度上升。”戈达德的太阳科学家尼克伦·维亚勒（Nicholeen Viall）表示。
帕克太阳探测器将穿过太阳日冕，追踪能量和热量如何穿越大气层。
图片来源：NASA / Johns Hopkins APL
FIELDS 的首席研究员斯图尔特·贝尔（Stuart Bale）说：“我很确定当我们得到第一轮数据时，我们会看到太阳附近低海拔地区的太阳风是尖锐而冲动的。”贝尔是加州大学伯克利分校的天体物理学家。
如果阿尔芬波是日冕极端高温的成因，FIELDS 将检测这些波的活动；由于较重的离子以不同的速率加热，不同类别的粒子会以特定的方式与阿尔芬波相互作用，SWEAP 将描述这些粒子的作用方式。
如果纳耀斑主导加热机制，加速粒子会相反的方向射出，这是磁场重联的明显迹象；FIELDS 和 SWEAP 也将检测磁场快速改变并加热周围等离子体的发生部位。
太阳之旅的无尽宝藏太阳科学家们的兴奋溢于言表，天体物理学史上的一个分水岭时刻就在眼前，帕克太阳探测器让他们真正有机会，揭开 150 年来困扰他们的日冕加热问题的神秘面纱。
然而这只是一个开端，科学家将更深入地了解整个宇宙空间事件的动力学。太阳打开了一扇窗，让人们了解远处的其他恒星，特别是那些也类似太阳的恒星。对等离子体基本物理学的更深理解，也能引申到宇宙中的其他地方，如星系团或黑洞周围。
甚至还会有意想不到的伟大发现。帕克太阳探测器的的太阳之旅，将人类的好奇心带到了一个前所未有的太阳系区域，它的每次观测都可能是一个潜在的宝藏。
*NASA TV 将于北京时间 15 点对此次发射进行直播，直播地址：
原文链接：
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/nasa-s-parker-solar-probe-and-the-curious-case-of-the-hot-corona
参考资料：
https://mp.weixin.qq.com/s/DznWBvPoP25F7v3ikJ5i5g
发表于 2018-8-10 23:38
收藏
分享