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2018年8月12日，帕克太陽探測(cè)器成功發(fā)射，計(jì)劃駛?cè)胩柎髿?，將成為人類第一顆對(duì)恒星大氣進(jìn)行直接觀測(cè)的探測(cè)器。帕克太陽探測(cè)器聚焦于太陽大氣兩大難題：“高溫日冕如何加熱”和“高速太陽風(fēng)如何加速”，探測(cè)結(jié)果可能會(huì)徹底改變?nèi)藗儗?duì)太陽的認(rèn)識(shí)，破解這兩個(gè)難題將有助于科學(xué)家進(jìn)一步了解并預(yù)報(bào)空間天氣。2019年12月4日，《自然》雜志發(fā)表了4篇系列論文，報(bào)道了該探測(cè)器四個(gè)載荷的首批科學(xué)成果。

〇 日冕 是太陽的外層大氣，在日食時(shí)，日冕發(fā)出微弱的光，用肉眼可以直接看到?！懊帷钡拿Q最早由意大利天文學(xué)家卡西尼提出：1706年5月日食時(shí)，他將太陽外層大氣描述為“淡光之冕”。

19世紀(jì)下半葉，借助光譜學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)日冕有了更深的認(rèn)識(shí)。

1868年，天文學(xué)家詹森和洛克耶爾在太陽邊緣發(fā)現(xiàn)一種新的化學(xué)元素，并將這種元素命名為氦（英文名稱helium，意為“太陽金屬”）。在1869年日全食觀測(cè)中，天文學(xué)家楊和哈克尼斯獨(dú)立發(fā)現(xiàn)日冕中存在另一種無法辨認(rèn)的譜線，隨后又發(fā)現(xiàn)了數(shù)十條未知的日冕譜線。六十年后，物理學(xué)家格羅特里安和艾德蘭基于量子力學(xué)的知識(shí)，證實(shí)了這些未知的日冕譜線實(shí)際來自于高度電離的鐵、鈣和鎳等金屬元素，而電離這些粒子需要幾百萬攝氏度的高溫環(huán)境。這樣，人們認(rèn)識(shí)到日冕溫度遠(yuǎn)高于太陽表面溫度（五千多攝氏度）。

日冕極紫外和可見光的圖像 | 圖源：（見圖中水?。?/span>

〇 太陽風(fēng) 是從太陽大氣流向行星際空間的高速粒子流。太陽風(fēng)概念的萌芽源于十九世紀(jì)下半葉，人們開始推測(cè)太陽上的活動(dòng)與地球上一些特別事件之間可能存在直接關(guān)聯(lián)，并逐步揭示了太陽風(fēng)的存在：

1859年，英國天文學(xué)家卡靈頓發(fā)現(xiàn)該年9月一次太陽耀斑爆發(fā)后，地球磁場(chǎng)發(fā)生了強(qiáng)烈擾動(dòng)（地磁暴）以及電報(bào)線路上突然出現(xiàn)強(qiáng)電流現(xiàn)象。

1908年，挪威物理學(xué)家伯克蘭基于多年的地球極區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為地磁暴和強(qiáng)極光活動(dòng)是從太陽傳播出來的某種“代理人”的表現(xiàn)。

1918年，英國科學(xué)家卡普頓認(rèn)為太陽會(huì)發(fā)射“氣體云”，也可以說是帶電粒子流到太陽外面的“真空”環(huán)境。

1951年，德國天文學(xué)家比爾曼基于彗星離子尾流的觀測(cè)，提出太陽系中充滿了來自太陽的帶電粒子外流。

1958年，太陽物理學(xué)家帕克將高溫日冕和比爾曼的“太陽帶電粒子外流”想法結(jié)合，推算出高溫日冕氣體壓力梯度會(huì)克服太陽重力影響，導(dǎo)致日冕等離子體向遠(yuǎn)離太陽傳播，并將之命名為“太陽風(fēng)”。帕克的太陽風(fēng)理論模型預(yù)言了行星際空間中存在太陽風(fēng)，而非完全真空。

1959年，前蘇聯(lián)衛(wèi)星很快證實(shí)了太陽風(fēng)的存在?？臻g衛(wèi)星觀測(cè)還給出了太陽風(fēng)的速度分布情況，表明其速度大小分布在200千米每秒至800千米每秒之間。

太陽風(fēng)速度分布 | 圖源：McComas, D. J. et al., 2008, GRL, 35, L18103

一方面，由于日冕溫度遠(yuǎn)高于太陽低層大氣溫度，顯然日冕熱量不可能來自低層大氣，因此引發(fā)了對(duì)“日冕加熱問題”的深入研究，但至今沒有定論。

另一方面，帕克太陽風(fēng)模型雖然成功預(yù)言了太陽風(fēng)的產(chǎn)生，但預(yù)測(cè)的太陽風(fēng)速度要小于觀測(cè)值，且不能解釋太陽風(fēng)中粒子溫度各向異性的觀測(cè)現(xiàn)象。高速太陽風(fēng)和粒子溫度各向異性的形成機(jī)制，目前也沒有定論。

“高溫日冕如何加熱”和“高速太陽風(fēng)如何加速”成為當(dāng)今太陽和空間物理領(lǐng)域的兩大科學(xué)難題。

一般認(rèn)為加熱日冕和加速太陽風(fēng)的能量起源于太陽大氣中磁場(chǎng)、以及對(duì)流層中流體運(yùn)動(dòng)。研究人員對(duì)這些能量如何傳播到日冕以及能量如何傳輸給日冕帶電粒子的問題上存在爭(zhēng)議，爭(zhēng)議點(diǎn)可以大致歸類為以下兩種模型：

〇 阿爾文波/湍流模型

支持這一模型的研究人員認(rèn)為兩種常見的太陽現(xiàn)象——對(duì)流層中流體運(yùn)動(dòng)和太陽低層大氣中磁場(chǎng)位形的急劇變化——所激發(fā)的磁流體波，主要是阿爾文波，可以穿越日冕，一直傳輸?shù)叫行请H空間。大尺度阿爾文波可以轉(zhuǎn)換為離子回旋波和動(dòng)力學(xué)阿爾文波，將能量有效傳輸給粒子，從而解釋日冕加熱、太陽風(fēng)加速和粒子溫度各向異性等觀測(cè)現(xiàn)象。此外，太陽大氣中阿爾文波之間發(fā)生相互作用，形成阿爾文湍流，耗散能量，也可以自洽解釋日冕加熱和太陽風(fēng)加速。

〇 磁重聯(lián)/納耀斑模型

太陽表面和下方區(qū)域的流體運(yùn)動(dòng)可以導(dǎo)致磁力線的剪切、扭轉(zhuǎn)和浮現(xiàn)，形成電流片，進(jìn)而觸發(fā)磁重聯(lián)，將一部分磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為粒子熱能和動(dòng)能，導(dǎo)致日冕加熱和太陽風(fēng)加速。帕克還進(jìn)一步提出納耀斑概念，認(rèn)為日冕底部會(huì)形成各種尺度的電流片，產(chǎn)生很多較太陽耀斑尺度小很多的耀斑，從而有效釋放磁場(chǎng)能量。 

這兩類模型都有各自的觀測(cè)支持證據(jù)。此外，研究人員還認(rèn)為：太陽大氣中存在磁聲波引發(fā)的激波，可以加熱日冕；在太陽大氣中經(jīng)常觀測(cè)到的針狀物對(duì)日冕加熱也有貢獻(xiàn)。

在日冕加熱問題上，我國學(xué)者做出了一些具有重要影響的工作，如系統(tǒng)闡釋動(dòng)力學(xué)阿爾文波加熱太陽大氣機(jī)制，提出阿爾文波非線性耗散過程，發(fā)現(xiàn)加熱日冕的超精細(xì)通道，基于針狀物研究將太陽低層大氣中的磁活動(dòng)與日冕加熱直接關(guān)聯(lián)等。

為了揭示太陽大氣和磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)、探索磁場(chǎng)能量的釋放過程和能量輸運(yùn)機(jī)制，人類相繼發(fā)射了多顆空間衛(wèi)星觀測(cè)太陽，如Skylab(1973年-1979年)、Yohkoh(1991年-2001年)、SOHO(1995年-至今)、TRACE(1998年-2010年)、RHESSI(2002年-2018年)、Hinode(2006年-至今)、STEREO(2006年-至今)、SDO(2010年-至今)、IRIS(2013年-至今)等。這些衛(wèi)星可以通過紫外、極紫外和X射線波段“看”太陽大氣，間接辨認(rèn)不同日冕加熱模型。但是，各種模型都有衛(wèi)星觀測(cè)不同層面的支持證據(jù)，爭(zhēng)議仍然存在。

不同于以往太陽衛(wèi)星只能“看”太陽，帕克太陽探測(cè)器可以“觸摸”太陽，因?yàn)樗鼘w到距離太陽表面僅612萬公里的軌道，比以往任何探測(cè)器都更接近太陽。帕克太陽探測(cè)器能夠直接探測(cè)等離子體、電磁場(chǎng)和高能粒子信息，觀察小尺度結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)過程，從而直接檢驗(yàn)加熱日冕和加速太陽風(fēng)的微觀物理機(jī)制。

此次帕克太陽探測(cè)器的首批科學(xué)發(fā)現(xiàn)，還只是探測(cè)器在距離太陽表面約3800萬千米至2500萬千米處的觀測(cè)結(jié)果，便已更新了我們對(duì)內(nèi)日球動(dòng)力學(xué)過程的認(rèn)知。

〇 “之形”磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有高發(fā)生率

磁場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)內(nèi)日球中磁場(chǎng)方向經(jīng)常發(fā)生反轉(zhuǎn)，持續(xù)時(shí)間為幾秒鐘到幾分鐘，伴隨著等離子體噴流和強(qiáng)電磁能量，該類磁場(chǎng)變化被昵稱為“之形”磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)?！爸巍贝艌?chǎng)結(jié)構(gòu)具有高發(fā)生率和大振幅，因而被認(rèn)為攜帶了日冕加熱和太陽風(fēng)加速的信號(hào)。

“之形”磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖 | 圖源：Nature, doi:10.1038/s41586-019-1818-7

〇 無處不在的等離子體波和湍流

電磁場(chǎng)儀器觀測(cè)證實(shí)了內(nèi)日球中多種等離子體波的存在、以及從大尺度延伸到小尺度的湍流。探測(cè)到的等離子體波動(dòng)強(qiáng)于地球附近波動(dòng)，近日區(qū)域存在小尺度湍流的結(jié)果也有些出乎意料，這些觀測(cè)佐證了等離子體不穩(wěn)定性和湍流在太陽風(fēng)動(dòng)力學(xué)過程中起到重要作用。

〇 太陽風(fēng)的旋轉(zhuǎn)速度高于理論預(yù)期

太陽風(fēng)電子、阿爾法粒子和質(zhì)子探測(cè)儀發(fā)現(xiàn)：近日點(diǎn)太陽風(fēng)的旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)35千米每秒至50千米每秒，遠(yuǎn)超過經(jīng)典理論預(yù)測(cè)值（幾千米每秒）。這一結(jié)果顛覆了對(duì)近日太陽風(fēng)旋轉(zhuǎn)速度的已有認(rèn)知，也引發(fā)了對(duì)恒星如何損失角動(dòng)量和隨時(shí)間自旋減慢理論的重新探討。

除以上發(fā)現(xiàn)外，帕克太陽探測(cè)器還直接觀測(cè)到了日冕外部區(qū)域高能粒子輻射環(huán)境、以及粒子加速和傳輸過程，并且首次在觀測(cè)上證實(shí)了無塵區(qū)的存在。這些結(jié)果也將推動(dòng)對(duì)內(nèi)日球物理過程的研究。 

我國計(jì)劃在2022年左右發(fā)射首顆太陽探測(cè)衛(wèi)星——“先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)”（ASO-S），搭載全日面矢量磁場(chǎng)儀、硬X射線成像儀和萊曼阿爾法太陽望遠(yuǎn)鏡等儀器，探索太陽磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)、太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射的動(dòng)力學(xué)過程、以及日冕動(dòng)力學(xué)過程。

歐洲歐空局計(jì)劃在2020年發(fā)射“太陽軌道探測(cè)器”，搭載十個(gè)載荷，對(duì)太陽進(jìn)行成像觀測(cè)、以及直接探測(cè)太陽風(fēng)中的等離子體、電磁場(chǎng)和高能粒子，科學(xué)目標(biāo)涉及日冕和太陽風(fēng)的動(dòng)力學(xué)過程。

太陽即將迎來它有人類歷史記載以來的第25個(gè)活動(dòng)周期，這些探測(cè)器將與帕克太陽探測(cè)器一起，對(duì)太陽展開全方位、多角度和多尺度的聯(lián)合觀測(cè)，更加全面地揭示日冕和太陽風(fēng)中的動(dòng)力學(xué)過程，以期待徹底解決日冕加熱和太陽風(fēng)加速問題。