擁抱太陽,追尋太陽風

文/物質第四態

太陽是大家最熟悉不過的天體了,它每天東升西落,為地球上的萬物帶來賴以生存的光和熱。不僅如此,在太空之中,太陽還以另一種方式影響著我們的地球。一種被稱為“太陽風”的高速等離子體流時刻從太陽上涌出,并向太陽系的深處奔去。當它到達地球附近時,會與地球的磁場發生作用,既能產生美麗絢爛的極光,又會誘發航天器故障、通信中斷、大規模停電等危害。太陽風是由美國的尤金·帕克教授最先發現的。2018年8月,以“帕克”命名的太陽探測器發射升空,開啟了人類對太陽的又一次遠征探測。

什么是太陽風？

在解釋太陽風之前,我們首先要向大家介紹一種名叫“等離子體”的物質。我們知道,處于固體、氣體和液體狀態的物質是由分子或原子構成的,在原子和分子中,帶負電荷的電子被束縛在帶正電荷的離子周圍,像圍繞地球運行的衛星一樣圍繞在離子附近運動。然而,如果電子獲得了非常高的能量,就可以掙脫離子的束縛,在物質中自由移動。這時,分子和原子的原有結構無法維持,就形成了由自由的離子和電子組成的“等離子體”。宏觀上看,等離子體并不帶電,但由于電子和離子在物質中不再“綁定”在一起,因此等離子體能夠表現出一些特別的電磁屬性。例如,等離子體具備一種被稱為“磁場凍結”的效應,可以攜帶著磁場一起運動。

我們用肉眼觀察到的太陽形態(太陽光會灼傷眼睛,切勿用眼睛直視太陽!觀察太陽要使用專門的觀測濾光設備),實際上是太陽的光球層。在光球層之外,太陽還有色球層、過渡區、日冕等圈層。日冕中的溫度高達數百萬開爾文(簡稱K,在百萬量級上,開爾文與攝氏度數值相差無幾),已經足以使太陽上的物質變成等離子體態。在日冕的高溫驅動下,日冕上的等離子體向遠離太陽的方向運動并不斷被加速,最終達到超音速狀態,形成了太陽風。在離開太陽時,由于等離子體的磁場凍結效應,太陽風還能攜帶著日冕磁場進入太空之中。太陽風可以一直奔馳到冥王星的軌道以外,距離太陽約120天文單位的地方。在那里,已經變得相當稀薄的太陽風和星際物質相互作用,形成了日球層頂,一些科學家將其視為太陽系的邊緣。

等離子體是由帶正電荷的離子和帶負電荷的電子組成的物質形態。由于正負電荷的總量相等,整個體系呈現電中性。在等離子體內部,離子和電子的相互作用使得等離子體呈現出與固體、液體、氣體相異的性質,因此也被稱為物質的第四態。根據存在的形式,大致可以將等離子體分為自然等離子體和人工等離子體,在自然界中,等離子體富含于包括太陽在內的恒星內部和大氣、地球磁層之中,而人工等離子體是通過外加的能量激發電離物質形成的等離子體,如日光燈等。

◎太陽結構示意

如果你從太陽附近出發,每走一小段距離就測量一下磁場的方向,并沿著磁場的方向前進,當你飛行到地球軌道附近或更遠的地方時,回看自己走過的軌跡,你會驚奇地發現這條軌跡并不是徑直向外的,而是呈現彎曲的螺旋狀。1958年,太陽風理論的先驅尤金·帕克教授在探測器探測出行星際磁場前就已經在理論上預言了這種形態的存在,因此,空間物理學的研究者們習慣將這種形態稱為帕克螺旋線。帕克螺旋線的形成,來自太陽自轉和太陽風磁場凍結效應的共同作用。

◎太陽風形態示意

◎地球偶極形磁場受太陽風影響示意

如果沒有太陽風的存在,地球磁場的形態本應是偶極形的,與一根條狀磁鐵的磁場形態類似。平時,在平靜太陽風的吹拂下,地球磁場朝向太陽的那邊(一般稱為日側)被壓縮,背向太陽的那端(一般稱為夜側)則會拉出一條長長的“尾巴”,形成地球磁層。當太陽風磁場與地球磁場同向時,地球磁場能有效地抵擋太陽風的入侵。但在二者方向相反時,地球磁場則會被一層一層地剝開。原本連接地球南、北磁極的磁力線被切斷,然后和太陽風中的磁力線相連。此時,一部分太陽風粒子就可以順著新形成的磁力線到達南北極,與南北極的大氣摩擦,形成絢爛的極光。同時,在太陽風的帶動下,新形成的磁力線被輸送到地球磁層的尾部,并在那里重新成為地球磁層的一部分。

太陽活動平靜時,太陽風的速度一般在250千米/秒—850千米/秒之間。雖然速度存在起伏變化,但這時的太陽風總體上對地球附近空間環境的影響不是很強烈。然而,當太陽上有劇烈的太陽風暴發生時,太陽風就會對地球的空間環境產生災害性影響。太陽風暴具體表現為“太陽耀斑”和“日冕物質拋射”兩種形態。在日冕中爆發的太陽風暴一旦擊中地球,將會給人類的航天、供電、通信、航空、GPS定位等一系列高科技系統帶來嚴重影響。1979年,美國的天空實驗室因太陽風暴對中高層大氣的持續加熱而出現超出預期的軌道衰減,最終提前墜落。1989年3月,太陽風暴誘發的巨大地磁暴摧毀了加拿大魁北克地區的電網,造成了大面積停電。1991年2月,太陽風暴產生的高能粒子穿透了風云一號B氣象衛星,使衛星上的姿態控制計算機出現故障,衛星剛剛在太空中工作半年就提前報廢了。和地球上預報陰晴雨雪的天氣預報一樣,目前相關科研機構也定期發布“空間天氣預報”,對太陽風暴的發生及其對地球的影響進行預報,有效減輕了太陽風暴給人類帶來的危害。

◎太陽耀

太陽風如何探測？

太陽風的探測分為遙感探測和局地探測兩種。所謂遙感探測,就是使用光學望遠鏡、射電望遠鏡等設備遙望太陽風發射出的輻射信號。而局地探測,則是將探測器發射到太空中,讓其探測局部地區的太陽風參數。

對于太陽風的遙感探測,早在17世紀就開始了。伽利略是最早使用望遠鏡進行天文觀測的科學家,當他將望遠鏡指向天空后,獲得的第一批重要發現就包括太陽黑子的形態。由于日冕輻射的極紫外等波段信號會被地球大氣吸收,因此目前主要的遙感探測都由太空中的探測器來進行。地面上的望遠鏡雖然也能進行一定的太陽遙感探測,但其產生的探測數據的數量和質量已經趕不上太空中的探測器。

說起對人類認識太陽活動和太陽風貢獻最大的一個探測器,當屬1995年發射的SOHO探測器。SOHO的工作位置為日地拉格朗日L1點。在這個位置上,地球和太陽的引力共同作用能夠使SOHO繞太陽公轉的角速度與地球繞太陽公轉的角速度保持一致。也就是說,地球繞太陽公轉過多少度,SOHO就會轉過同樣的角度,因此,它始終處于地球和太陽連線上的固定位置,最適合連續不斷地監測太陽活動。在低層日冕中,形成太陽風的等離子體能夠釋放出極紫外波段的輻射信號,SOHO通過極紫外波段的觀測可以獲取低層日冕的信息。太陽風等離子體在日冕中還會散射太陽光,形成白光日冕。在日食過程中觀測到的日冕結構就是白光日冕。SOHO上裝備了一種名叫日冕儀的儀器,能夠不間斷地制造人工日食,使科學家可以通過白光日冕的形態追蹤太陽風傳播的軌跡。SOHO利用太陽表面的多普勒現象,還能夠得到光球層上的磁場分布,利用日震學原理洞悉太陽內部的秘密。SOHO上還裝備了光譜觀測設備,能夠使科學家們更精細地了解日冕中發生的物理過程。

◎SOHO探測器運行軌道示意圖

在SOHO之后,人們又陸續發射了兩顆STEREO衛星對太陽進行遙感探測。STEREO衛星在進入軌道后,在地球公轉方向上,一顆位于地球之前,一顆位于地球之后。隨著時間的推移,兩顆衛星的距離逐漸增大,這樣就可以從不同角度觀察太陽上的同一現象,實現更立體的太陽遙感探測。除了極紫外和白光日冕觀測儀器外,STEREO還裝備了一種名叫“日球儀”的儀器,能夠分辨出太陽風暴在距離太陽很遠的行星際空間中傳播的軌跡,從而幫助科學家更好地研究和預報太陽風暴。2011年,兩顆STEREO衛星間的夾角達到了180度,進行了人類歷史上首次對太陽360度的同時觀測。與SOHO和STEREO相比,2010年發射的SDO衛星在時間和空間上的探測精度得到了進一步提高,幫助科學家獲取了更多關于太陽的細節。

◎兩顆STEREO 衛星與地球位置示意圖

1958年,當帕克教授提出關于太陽風的理論時,不少學者都對太陽風的存在表示懷疑。而最終證實帕克教授的理論的正是衛星的局地探測數據。在1961年和1962年相繼發射的美國探測者10號探測器和水手2號探測器都探測到了來自太陽的等離子體流。這種等離子體流在地球附近的速度和密度均和帕克教授預言的相同,且持續向遠離太陽的方向傳播,從而證明了太陽風的存在。

◎水手2號探測器

◎拉格朗日點示意

在太陽風探測中,日地拉格朗日L1點是一個相當重要的位置。和SOHO同期被發射到L1點的還有ACE探測器。ACE的工作位置雖然和SOHO相同,但裝備的卻是進行局地探測的儀器。從ACE部署到L1點開始,科學家第一次獲得了不間斷的太陽風局地探測數據,極大地推動了太陽風和太陽風暴性質的研究。ACE可以測量太陽風的溫度、密度等參數,還能測定太陽風流和太陽風所攜帶磁場的方向和大小。在太陽風中,含量最高的是氫離子,但也有氦離子、鐵離子、氧離子等重離子。這些重離子的含量雖然比氫離子少很多,但它們卻攜帶了非常重要的物理信息。當這些重離子離開日冕時,它們的性質便不再發生改變。因此,通過對比局地探測和日冕遙感探測中的重離子性質,科學家可以推測某一時間觀測到的太陽風源于日冕中的哪類區域,從而更清楚地認識太陽風的傳播演化過程。目前,ACE已經進入超期服役狀態,而美國已經發射DSCOVR衛星到L1點,來接替ACE的探測工作。

◎尤利西斯探測

除了地球附近的太陽風局地探測,我們還發射過去往太陽系其他區域的探測器,來探究太陽風的奧秘。例如,1990年發射的尤利西斯探測器,躍出了地球公轉所在的黃道面,獲得了太陽風在不同緯度的數據。科學家驚奇地發現太陽風在不同太陽活動時期有著不同的空間分布。在太陽黑子較少的太陽活動谷年,高緯度地區是性質幾乎均一的快速太陽風,而在低緯度地區則是性質多變的慢速太陽風。快速太陽風過渡到慢速太陽風的過渡區域只有幾度寬。而在太陽黑子較多的太陽活動峰年,太陽風則在不同緯度呈現快慢太陽風相互交錯的現象,沒有平靜期那樣清晰的結構。

帕克太陽探測器

◎帕克太陽探測

在我們的常識中,距離火堆、爐子這樣的熱源越遠,溫度就會越低。太陽釋放的能量源于太陽內部的核聚變,從太陽內部到太陽的光球層,溫度逐漸降低。然而從光球層到日冕,隨著距離的增加,溫度非但沒有降低,反而飆升到了數百萬開爾文。這個現象背后的成因一直困擾著科學家。帕克教授在1958年提出的模型中,太陽風被一只“看不見的手”加熱和加速。通過等溫假設,帕克太陽風模型中的太陽風從一個“神秘來源”中獲得了全部的能量。這只“看不見的手”是為了建立初步物理圖景而引入的必要假設。然而進一步的研究一定要具體說明“看不見的手”到底是什么物理過程“,神秘來源”到底來自何處。在幾十年中,人們提出了復雜而豐富的理論來解釋太陽風的加速加熱機制,形成了好幾個理論流派,但誰也無法說服誰。造成這個現狀的原因是目前對太陽風的局地探測都是在距離太陽較遠的地方進行的。在這些地方,太陽風已經完成了加速加熱的過程。而對于太陽風的起源地日冕,我們只能通過望遠鏡遙望,而沒有局地探測的數據。

為了能夠徹底解決太陽風加熱加速機制問題,科學家們提出了一個抵近太陽的探測計劃。在這個任務中,一個探測器將運行在環繞太陽的大圓軌道上,逐漸縮短自己與太陽的距離,最終到達日冕加熱和太陽風加速過程真正發生的地方,進行局地探測,獲得關于太陽風起源的最“鮮活”的探測數據。這個探測器,一開始被命名為“太陽探測器”(Solar Probe),后來又被升級成了“太陽探測器加強版”(Solar Probe Plus)。最后,美國國家航空航天局(NASA)決定以太陽風發現者尤金·帕克的名字命名它,即“帕克太陽探測器”(Parker Solar Probe)。以人名命名的NASA任務不勝枚舉,比如哈勃、斯必澤、開普勒、伽利略等,但帕克太陽探測器是目前唯一一個用健在學者的名字命名的探測器。

◎帕克太陽探測器結構

2018年8月12日,帕克太陽探測器由美國的德爾塔Ⅳ型火箭發射升空。升空后,帕克探測器會進入一條環繞太陽的軌道,并在7年的時間里借助水星的引力逐漸縮短與太陽的距離,最終到達距太陽590萬千米的位置(相當于從地球到太陽距離的約二十五分之一),與太陽進行一次史上最親密的接觸。為了完成探測任務,帕克探測器上裝備了4臺科學探測儀器。其中,FIELDS能夠對探測器所在位置的電磁場進行測量,ISIS儀器主要對各類離子和電子的性質進行測量,WISPR儀器則對日冕和內日球層進行光學成像測量,而SWEAP儀器則主要對等離子體的密度、溫度、速度等性質進行測量。

帕克探測器在太陽附近工作時,承受的太陽輻射是地球附近的500倍。為了使探測器不被太陽“烤熟”,工程師們利用碳復合材料設計了一個保護罩。在工作過程中,這個厚度僅有11.43厘米的保護罩朝向太陽的一面最高溫度可達1 400攝氏度左右,但在它的保護下,探測器的工作環境溫度僅有29攝氏度,比北京的夏天還要涼快!此外,為了確保安全工作,太陽能電池板采用了可調節朝向的設計。在太陽輻射較強時,太陽能電池板會向后收縮,將更多的部分隱藏在保護罩之后,只露出尖端的一小部分。而當遠離太陽時,電池板則又從保護罩后面探出,以提供充足的電力。在太陽能電池板上,裝備的由鈦合金支撐的水冷系統,還能夠及時帶走積聚的熱量。即便在最嚴酷的太陽輻射下,水冷系統也能將太陽能電池板的溫度保持在150攝氏度左右。

“擁抱”太陽可不是一件簡單的事,為了這一旅程,帕克探測器不僅披上了華麗的戰衣,它還將跑出有史以來人造飛行器的最快速度——200千米/秒!黃山有一座“始信峰”,曾有文人在那里留下了“豈有此理,說也不信;真正妙絕,到此方知”的感慨。此刻,帕克探測器帶著人們對它的期待,正在奔向太陽,希望它傳回的數據,也能讓空間物理學家們感到“真正妙絕,到此方知”!