太阳风的诞生和帕克太阳探测器你知道多少？

今年夏天人类开始了第一次接触太阳的任务：一艘宇宙飞船将被发射到太阳的外层大气中。面对几百万华氏度的高温，美国宇航局的帕克太阳探测器——以芝加哥大学的物理学家尤金·帕克命名，他第一次预测了太阳风的存在——将直接对太阳粒子和磁场进行采样，试图解决当今太阳科学领域面临的一些最重要的问题。这些问题包括：太阳风的起源是什么？它是如何加速到每小时180万英里速度的？太阳风充满了我们整个太阳系，当太阳风到达地球时可以产生令人眼花缭乱的极光——但也会使宇航员暴露在辐射中，干扰卫星电子设备，干扰GPS和无线电波等通信信号。

在这幅插图中，太阳风吹过地球。图片：NASA"s Goddard Space Flight Center/Scientific Visualization Studio/Greg Shirah

博科园-科学科普：当我们越了解驱动太阳风的基本过程，就越能减轻其中的一些影响。1958年帕克提出了一种理论，表明太阳的高温日冕(当时已知的温度为华氏数百万度)是如何热到超过太阳的重力的。根据理论，日冕中的物质不断向四面八方膨胀，形成太阳风。一年后，苏联宇宙飞船月球1号在太空中探测到了太阳风粒子，三年后，美国宇航局的水手2号宇宙飞船证实了这一发现。多年前“水手2号”探测到两种截然不同的太阳风流：一种是每秒大约215英里的慢流，另一种是每秒两倍于此速度的高速流。然后在1973年，人们发现了太阳风的起源。从美国太空实验室拍摄的日冕x射线照片这是美国第一个载人空间站——发现了快速的风从日冕洞中喷射出来，这些洞是黑暗的，在太阳上相对低温的区域。

马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心的太阳物理学家吉姆·克里姆丘克(Jim Klimchuk)说：在许多方面，慢性子的太阳风是一个更大谜团，它为揭示基本的新理解提供了巨大的希望。缓慢的太阳风的起源和加速机制仍然很神秘，这是科学家之间长达数十年的激烈争论。但我们并非没有线索。美国国家航空航天局(NASA)于1990年发射的“尤利西斯”(Ulysses)任务是在太阳的两极附近飞行，观察到在太阳活动极小期，缓慢的太阳风被限制在太阳的赤道附近，而帕克太阳能探测器将在那里飞行。随着太阳周期逐渐接近最大值，太阳风的结构从两极快速而赤道缓慢的两种截然不同的方式转变为混合、不均匀的气流。

日冕洞在太阳的图像中旋转。图片：NASA/SDO

关于慢太阳风起源的争论取决于封闭日冕和开放日冕之间的区别。闭合日冕是指太阳磁场线闭合的区域，即两端与太阳表面相连。明亮的头盔链——在磁性活跃区域形成的大圈，形状像骑士的尖头盔——就是一个例子。等离子体，或电离气体，沿着钢盔饰带的闭合环路运行，在很大程度上被限制在靠近太阳的区域。另一方面，打开的日冕，指的是磁场线只在一端固定在太阳上的区域，在另一端延伸到太空，从而形成了一条通向太空的太阳物质高速公路，日冕孔则是快速太阳风的来源的低温区域-。当缓慢的太阳风离开太阳日冕时，它也在开放的磁场线上流动，因为这是远离太阳的唯一途径。但是关于它是在那里开始的，还是在封闭的场线上诞生的，只是在途中的某个地方变成了开放的场线，有不同的理论。

例如膨胀因子理论声称，缓慢的太阳风起源于开放的电场线，就像快风一样。相对而言，它的速度较慢是因为它在脱离日冕过程中所走的路越来越宽，因为磁场线绕过了头盔饰带的边缘。当水流过管道时，当管道膨胀时，水就会慢慢变成涓涓细流，而等离子沿着这些不断扩大的磁路流动时，也就会减慢，形成了缓慢的风。其他的理论认为，缓慢的太阳风起源于封闭的电场线，后来转变为开放的电场线。因此当来自冠状孔的开放场线与头盔饰带边缘的闭合场线发生碰撞时，就会形成慢风，并在一种称为磁重联的事件中，爆炸性地重新布线。就像一列火车在驾驶员打开开关后改变轨道一样，等离子体从前在流光器的闭合场线上突然发现自己在一个开放场线上，在那里它可以逃到空间。慢太阳风等离子体曾经在封闭的电场线上，这一观点得到了证据的支持，证据表明它曾经面临我们所知道的那种极端加热。

封闭磁场线绕回太阳形成头盔流线，被延伸到太空的开放磁场线包围，如图所示。图片：NASA"s Goddard Space Flight Center/Lisa Poje/Genna Duberstein

当我们测量的时候，不是关于等离子体的温度，这是关于等离子体的温度历史。可以看出过去的慢太阳风要热得多。此外组成慢太阳风的特殊元素组合与在封闭日冕中看到的元素非常匹配——但与我们所知道的一直存在于开放野外的等离子体并不匹配。目前试图通过宇宙飞船来测试这些理论的努力受到了测量和太阳风起源之间的巨大距离阻碍(在9300万英里的范围内可以发生很多事情)。关键是要近距离追踪，追踪太阳风的来源——帕克太阳能探测器将会做到这一点。如果能够测量慢太阳风，并且发现它来自于开放和封闭磁场之间的边界，那么这就支持了磁场重新连接会产生慢太阳风的观点。

帕克太阳探测器的仪器将收集到磁重联的下游证据——这是一个信号，表明闭场到开场理论正在发挥作用。特定类型的重新连接以不同的方式扭曲产生的磁场，帕克的仪器将在这些磁场中测量早期的扭曲，在它们有足够的时间被扭曲之前。此外初生的太阳风的特写图像将告诉我们，当日冕结构向外传播时，它们是如何进化的。这将有助于我们回答一个长期存在的问题：太阳风是连续流还是间歇流。对于渴望得到数据来验证其理论的科学家来说，对太阳日冕磁场的精确测量将是无价的。这就是为什么帕克的使命如此重要，这一切都可以追溯到对太阳详细的磁性结构的理解。

博科园-科学科普｜美国宇航局戈达德太空飞行中心

博科园-传递宇宙科学之美