帕克太陽探測器（圖片來源：NASA） 撰文 | 張華 2018年8月，帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）從美國佛羅里達州的肯尼迪航天中心升空，踏上史無前例的逐日旅程。 2018年9月，在金星引力的拖曳下，帕克太陽探測器進入一個以太陽為焦點、偏心率很大的橢圓軌道，目前其軌道周期147天，近日點距離太陽35.7倍太陽半徑。帕克太陽探測器已經穿越太陽的外層大氣，成為首個進入日冕層的飛行器。通過對日冕層粒子的收集、監(jiān)測，帕克太陽探測器將為我們揭開太陽的諸多謎團。
帕克太陽探測器的運動軌跡
最新一期《自然》雜志，通過4篇論文公布了帕克太陽探測器的首批科學結果。這些研究為理解太陽的結構與運動，提供了全新的視角。
雖然人類一直生活在太陽系中，太陽也為我們提供了大部分能量來源，但其實我們對太陽的了解并不多。
在此之前，已經有一些衛(wèi)星在幫助人類認識太陽，包括太陽日球層觀測站（SOHO）、太陽動力學觀測站（SDO）等。但這些衛(wèi)星都沒有像帕克太陽探測器那樣距離太陽如此之近。
帕克太陽探測器是以美國芝加哥大學的物理學家尤金?帕克（Eugene Parker）的名字命名的。帕克1927年出生于美國密歇根州，是太陽風理論的提出者，這顆探測器也是全世界唯一一顆以在世的科學家名字命名的科學衛(wèi)星。
尤金?帕克
帕克太陽探測器攜帶了多種探測儀器，可以探測到它遇到的等離子體（主體是質子、電子和部分電離的離子以及少許其他原子核）、磁場和高能粒子，并對太陽日冕、太陽風和探測器周圍的激波進行三維成像。
自帕克太陽探測器成功發(fā)射以來，科學家期望來自這顆探測器的數據能幫助他們解決一系列有關太陽色球層、日冕和太陽風的問題。這些問題包括為什么日冕的溫度那么高、太陽風的能量機制和加速機制是什么、太陽表面針狀結構（spicules）的成因和作用、磁場的作用是什么等等。
其中，由帕克本人在1958年提出的太陽風，就隱藏著大量未解之謎。
帕克在前人物理模型的基礎上，通過對背離太陽的彗尾方向的觀測，構建了一個穩(wěn)態(tài)球對稱等溫流體力學模型。在這個模型中，帕克大膽提出了太陽風理論。
在當時，太陽風是一種合理的設想，因為從地球上可以看到，地球兩極有極光，而極光可能是來自太陽的帶電粒子進入地球兩極的強磁場區(qū)域后產生的。此外，當慧星在太空穿梭時，無論其運動方向如何，彗尾總是指向離開太陽的方向。這些跡象表明，彗星的尾巴，可能是被從太陽刮過來的電磁風暴吹彎了。
清華大學物理系和天體物理中心的樓宇慶教授告訴《環(huán)球科學》：“1958年，帕克用磁性等離子體與流體力學的理論對太陽風進行了理論推導。他把計算結果寫成論文，發(fā)表在了當時由錢德拉塞卡擔任主編的《天體物理學雜志》上。但當時學界有很多人并不認可這種猜測，所以關于太陽風的存在性一開始有很多的爭論。最后，只能通過發(fā)射衛(wèi)星到天上去觀測，才能平息爭論?！?/span>
在帕克的理論模型里，太陽外層的日冕溫度極高，達到百萬度的數量級。這樣的高溫會產生完全電離的等離子體。因為溫度太高，這些離子的動能很大，大到可以沖破太陽的引力束縛飛向地球。而且，帕克用詳細的理論推導表明，從日冕中釋放出來的離子最后會突破音速臨界點被加速至超音速。對于這種從太陽向外釋放的離子流，帕克稱之為“太陽風”。帕克還預言，太陽風的速度超過了音速。
今天科學家已經知道，帕克的熱驅動風模型尚不能解釋持續(xù)不斷的高速太陽風。人們普遍認為磁場對于產生持續(xù)高速的太陽風有著特殊重要作用。
太陽風的運動路徑是有方向的，在每一個點，太陽風的方向可以分解為徑向與切向。太陽風主要的速度分量是徑向的，也就是從太陽出發(fā)朝外吹。但是，太陽風的切向分量也不能忽視，切向速度分量的大小可以反應出太陽的磁場與自轉等因素的影響。
在此次發(fā)表的4篇論文中，有一篇就對太陽風的速度進行了前所未有的細致分析，并發(fā)現其切向速度很大，從而推翻了存在了半個世紀的經典模型。
要精確求解太陽風的運動規(guī)律，需要結合太陽的引力場與磁場，并利用流體力學與等離子體物理的大量知識。此外，太陽風還受到太陽旋轉的影響。這些因素使得對太陽風的理論研究一直十分困難。
在這篇最新論文中，帕克太陽探測器在日冕層中，取得了重要的發(fā)現。
太陽風中的音速大約是每秒100~200千米。但帕克太陽探測器測出的太陽風的徑向速度是每秒300~1000千米，超過了音速，這再一次驗證了帕克在60年前的猜想。
帕克太陽探測器穿越太陽風
更重要的是，在這篇論文中，帕克太陽探測器第一次對太陽風中的切向旋轉速度進行了現場觀測。觀測結果顯示，帕克太陽探測器在距離太陽36倍太陽半徑的地方，測出了每秒大約30~50千米的切向速度（即太陽風圍繞太陽旋轉的速度）。而根據此前的模型，這里的切向速度應該只有每秒幾千米。如此巨大的差異，是怎么回事？
此前預測太陽切向速度的經典模型是于1967年提出的韋伯-戴維斯太陽風模型，其中戴維斯是帕克的博士生導師。
樓宇慶告訴《環(huán)球科學》，這個模型的主要思想是：在靠近太陽的地方，磁場比較強，所以磁力線會帶著等離子體一起旋轉，兩者的角速度近似相等。（例如，由于太陽的旋轉速度是每秒2千米，因此1倍太陽半徑處的切向速度也是每秒2千米。）而隨著半徑增加，等離子體離太陽越來越遠，磁場的強度減小，磁力線不能繼續(xù)帶著等離子體快速旋轉，這時太陽風切向運動的角速度就會減小。因此，切向速度（角速度與半徑的乘積）并不會無止境地增加。在距離太陽36倍太陽半徑的地方，其理論切向流動速度應該只有每秒幾千米。
而帕克太陽探測器觀測到的切向速度峰值可達每秒30~50千米，明顯大于理論預言。所以，目前的觀測結論挑戰(zhàn)了日冕繞太陽環(huán)流的模型（韋伯-戴維斯模型），構成了一個未解之謎。
對此，一種可能的解釋是，另外一種復雜的物理機制將太陽的角動量傳遞給了太陽風。但具體機制，仍需進一步的研究。
因為帕克太陽探測器的探測范圍只是一個小點，它提供的也只是一個小空間區(qū)域內的太陽風速度信息。所以目前，我們只能說它看到了太陽風的速度有一個“突發(fā)尖刺”。對于太陽風運動的全貌，人們還不夠了解。
除了上述論文，本周發(fā)表于《自然》的其他3篇相關論文，也發(fā)現了關于太陽的全新物理現象。一篇論文重點報告了慢太陽風（速度低于每秒500千米）的起源。最新研究指出，慢太陽風起源于太陽赤道附近的日冕空洞。
而另外兩篇論文，分別報告了太陽附近的高能粒子流的觀測數據，以及日冕層的電子與塵埃對光譜的散射影響。
這一系列研究，展示了帕克太陽探測器的階段性成果。在接下來的5年間，帕克太陽探測器的運行軌道仍將不斷縮短、與太陽距離更近。最后，它的軌道周期會變成88天，距離太陽表面最近為9倍太陽半徑。我們希望，帕克太陽探測器以及未來更多的太陽探測項目，能為我們徹底揭開太陽風的秘密。
