历史上第一次有航天器接触太阳。NASA的帕克太阳探测器现在已经穿过太阳的高层大气——日冕——并对那里的粒子和磁场进行了采样。

这一新的里程碑标志着帕克太阳探测器迈出了重要的一步,也是太阳科学的一个巨大飞跃。正如登上月球使科学家能够了解它是如何形成的一样,接触太阳构成的物质将有助于科学家发现有关我们最近的恒星及其对太阳系的影响的关键信息。

“帕克太阳探测器‘接触太阳’是太阳科学的一个里程碑,也是一项真正了不起的壮举。”美国宇航局华盛顿总部科学任务理事会副局长托马斯·祖布臣说。 “这一里程碑不仅让我们对太阳的演化及其对太阳系的影响有了更深入的了解,而且我们对自己恒星的了解也让我们对宇宙其他部分的恒星有了更多的了解。”

当它靠近太阳表面时,帕克有了新的发现,这些发现是其他航天器在太远的地方看不见的,包括太阳风内部的发现。太阳风是来自太阳的粒子流,可以影响我们在地球上的生活。2019年,帕克发现太阳风中的磁之字形结构,被称为“折线”,在太阳附近大量存在。但它们是如何形成的,在哪里形成的,仍然是个谜。从那时起,帕克太阳能探测器就一直与太阳保持着一定的距离,现在它与太阳的距离已经近到足以确定它们的起源:太阳表面。

“帕克太阳探测器飞得离太阳如此之近,现在能够探测到太阳大气中的磁力主导层——日冕——的状况,这是我们以前从未探测到的。”位于马里兰州劳雷尔的约翰·霍普金斯应用物理实验室的帕克项目科学家诺尔·拉瓦菲说。“我们可以从磁场数据、太阳风数据和图像中看到日冕存在的证据。我们实际上可以看到航天器在日全食期间可以观测到的日冕结构中飞行。”

比以往任何时候都近

帕克太阳探测器于2018年发射,目的是探索太阳的奥秘,它比以往任何航天器都更接近太阳。在发射三年后,第一次构思几十年后,帕克终于来到了这里。

与地球不同,太阳没有固体表面。但它确实有一个过热的大气层,通过引力和磁力与太阳结合在一起。当上升的热量和压力将这种物质推离太阳时,它到达了一个重力和磁场都太弱而无法容纳它的点。

该点被称为阿尔芬临界面,标志着太阳大气的结束和太阳风的开始。具有使其跨越临界面的能量的太阳物质成为太阳风,当太阳风穿过太阳系,到达地球和更远的地方时,太阳的磁场也随之产生。重要的是,在阿尔芬临界面之外,太阳风的移动速度如此之快,以至于风中的波浪无法以足够快的速度返回太阳——切断了它们之间的联系。

直到现在,研究人员还不确定阿尔芬临界面的确切位置。根据日冕的远程图像,估计它距离太阳表面10到20个太阳半径——430到860万英里。帕克的螺旋轨道使它慢慢地接近太阳,在最后几次飞行中,航天器始终低于20个太阳半径(地球与太阳距离的91%),如果估计正确的话,它将处于穿越边界的位置。

2021年4月28日,在其第八次飞越太阳期间,帕克太阳探测器在太阳表面上方18.8个太阳半径(约810万英里)处遇到了特定的磁性和粒子条件,这告诉科学家们它已经第一次穿越了阿尔芬临界面,最终进入了太阳大气。

“我们完全预料到,迟早我们会遭遇日冕至少很短一段时间,”发表在《物理评论快报》上的一篇关于这一里程碑的新论文的主要作者、BWX技术公司副首席技术官、密歇根大学教授贾斯汀·卡斯珀说。“但令人兴奋的是,我们已经达到了目标。”

进入风暴之眼

在飞越过程中,帕克太阳探测器多次进出日冕。 这证明了一些人的预测——阿尔芬临界面的形状不是光滑的球。 相反,它的表面有尖峰和低谷。发现这些突起与来自太阳表面的太阳活动对齐的位置,可以帮助科学家了解太阳活动如何影响大气和太阳风。

帕克太阳探测器一度下降到离太阳表面15个太阳半径(约650万英里)以下,它在日冕中穿越了一个称为伪流光的特征。伪流光是在日食期间从地球上可以看到的从太阳表面升起的巨大结构。

当帕克太阳探测器在第九次穿过日冕时,航天器飞越了被称为日冕流的结构。这些结构可以被看作是在上部图像中向上移动的明亮特征,在下部图像中向下倾斜。这样的景象是可能的,因为航天器在日冕内的飘带上方和下方飞行。到目前为止,人们只能从远处看到日冕流。在日全食期间,从地球上可以看到它们。
影像来源:NASA/Johns Hopkins APL/Naval Research Laboratory

穿过伪流光,犹如飞入风暴之眼。在伪流光内部,环境变得安静,粒子速度变慢,折线的数量也减少了——这与航天器通常在太阳风中遇到的繁忙粒子弹幕相比,是一个巨大的变化。

航天器第一次发现自己处于一个磁场强大到足以控制那里粒子运动的区域。这些条件是航天器已通过阿尔芬临界面并进入太阳大气的确凿证据,在太阳大气中,磁场决定了该地区一切物体的运动。

第一次飞越日冕只持续了几个小时,是这次任务中计划的许多次飞越之一。帕克将继续螺旋靠近太阳,最终达到离太阳表面的8.86倍太阳半径(383万英里)。即将到来的近距离探测(下一次飞越将在 2022年1月)可能会让帕克太阳探测器再次穿过日冕。

“我很高兴看到帕克在未来几年反复穿过日冕的过程中发现了什么,”NASA总部太阳物理学部门主管尼古拉·福克斯说。“新发现的机会是无限的。”

日冕的大小也受到太阳活动的影响。随着太阳11年的活动周期——太阳周期——的加速,日冕的外缘将扩大,使帕克太阳探测器有更大的机会在日冕内停留更长的时间。

“这是一个非常重要的区域,因为我们认为所有的物理都可能开启。”卡斯珀说。 “现在我们正进入这一领域,希望能够开始看到其中的一些物理现象和行为。”

缩小切换原点的范围

甚至在第一次穿越日冕之前,一些令人惊讶的物理现象已经浮出水面。在最近的太阳相遇中,帕克太阳探测器收集了数据,精确定位了太阳风中之字形结构的起源,这种结构被称为折线。数据显示,出现折线的一个地方是在太阳的可见表面——光球层。

当太阳风到达9300万英里外的地球时,它是粒子和磁场的无情逆风。但是当它逃离太阳时,太阳风是结构化的和不完整的。20世纪90年代中期,NASA-ESA的尤利西斯号任务飞越太阳两极,在太阳风的磁场线中发现了一些奇怪的S形扭结,这些带电粒子在逃逸时绕着之字形路径绕行逃离太阳。几十年来,科学家们一直认为这些偶尔发生的转向是仅限于太阳极地地区的奇怪现象。

2019年,在距离太阳34个太阳半径处,帕克发现折线并不罕见,但在太阳风中很常见。这重新引起了人们对这些特征的兴趣并提出了新的问题:它们来自哪里?它们是在太阳表面形成的,还是由太阳大气层中某些扭曲磁场的过程形成的?

发表在《天体物理学杂志》上的新发现最终证实了一个起源点是在太阳表面附近。

当帕克第六次飞越太阳时,它的轨道离太阳更近,距离太阳半径不到25倍,线索就出现了。数据显示,在小块区域中会出现折线,并且氦的含量比其他元素要高——氦来自于光球层。当科学家们发现这些小块区域与从光球层中出现的称为超级颗粒的对流细胞结构之间的磁漏斗对齐时,折线的起源进一步缩小。

科学家们认为,除了是折线的发源地外,磁漏斗可能是太阳风的一个组成部分的发源地。太阳风有快和慢两种不同的类型,磁漏斗可能是快速太阳风中某些粒子的来源。

“带有折线区域的结构与日冕底部的小型磁漏斗结构相匹配。”加州大学伯克利分校教授、这篇新论文的主要作者斯图尔特·贝尔说。“这是我们对一些理论的期望,这确定了太阳风本身的来源。”

了解快速太阳风的成分在哪里以及如何出现,以及它们是否与折线有关,可以帮助科学家们解答一个长期存在的太阳之谜:日冕是如何被加热到数百万度的,远远高于太阳表面以下的温度。

虽然新的发现确定了折线发生的位置,但科学家们还不能确认它们是如何形成的。一种理论认为,它们可能是由像海浪一样穿过该区域的等离子体波产生的。另一种说法是,它们是由一种被称为磁重联的爆炸过程造成的,这种爆炸过程被认为发生在磁漏斗聚集的边界处。

“我的直觉是,随着我们深入任务,越来越接近太阳,我们将进一步了解磁漏斗是如何连接到折线。”贝尔说。 “并有望解决是什么过程产生了它们的问题。”

随着帕克太阳探测器越来越靠近太阳,它正在进入未知的领域并进行新的发现。这张图片代表了帕克太阳探测器在一些里程碑式的发现中与太阳的距离。
影像来源:NASA’s Goddard Space Flight Center/Mary P. Hrybyk-Keith

现在研究人员知道要寻找什么了,帕克的近距离飞越可能会揭示更多关于折线和其他太阳现象的线索。即将获得的数据将使科学家得以窥探一个对日冕过热和将太阳风推到超音速至关重要的区域。来自日冕的此类测量对于理解和预测可能破坏电信和损坏地球周围卫星的极端太空天气事件至关重要。

“看到我们的先进技术成功地将帕克太阳探测器带到比以往任何时候都更接近太阳的地方,并能够返回如此惊人的科学成果,真是令人兴奋。”NASA总部帕克项目执行官约瑟夫史密斯说。 “我们期待看到该任务在未来几年内进一步探索时还会发现什么。”

帕克太阳探测器是NASA“与星共存”计划的一部分,该计划旨在探索直接影响生命和社会的太阳-地球系统的各个方面。“与星共存”计划由NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心为位于华盛顿的NASA科学任务理事会管理。位于马里兰州劳雷尔市的约翰霍普金斯大学应用物理实验室负责管理NASA帕克太阳探测器任务,并设计、建造和操作航天器。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-enters-the-solar-atmosphere-for-the-first-time-bringing-new-discoveries

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