揭秘太陽大氣，“探日勇士”在行動

張唯誠

自伽利略用望遠鏡觀測到太陽黑子以來，人類對太陽黑子和太陽活動的相關規(guī)律整整思考了400多年，但很多問題始終沒有明確的答案。不過，太空時代來臨后，太陽探測器把人類對太陽的研究帶到一個開創(chuàng)性的新時代。一批功勛卓著的太陽探測器已經(jīng)帶給了人類有關太陽的豐富知識，這些探測器是科學家們研究和觀測太陽的利器，包括“太陽神號”、“太陽峰年衛(wèi)星”、“太陽和日球層觀測臺”和“太陽觀測衛(wèi)星”等等，它們在繞日軌道上測量了行星際磁場和太陽風，捕捉了壯觀的太陽噴射現(xiàn)象和太陽黑子活動，傳回了大量清晰的太陽影像，使人類對太陽的認識有了質的飛躍。

太陽也有自己的大氣，其大氣由光球層、色球層和日冕層三部分組成。光球層和色球層只有幾千千米厚，而最外層的“日冕層”則從太陽的表面一直延伸到冥王星以外的地方。

就像地球大氣中有天氣變化一樣，太陽大氣中也有天氣變化，且變化頻繁。十幾億噸的日冕物質在其中被拋射，高能輻射和太陽風以上百萬千米的時速橫掃遼闊的空間，太陽系中的每顆行星、小行星和彗星都暴露在它們的沖擊之下。這些現(xiàn)象被稱為“太空天氣”。

太空天氣中最狂暴的現(xiàn)象是“太陽風暴”，它是太陽內(nèi)部巨大能量的極端表現(xiàn)，時常和太陽耀斑“相伴而生“。發(fā)生太陽風暴時，太陽表現(xiàn)得非常狂躁，巨大的耀斑、壯觀的日珥暴發(fā)、大量的日冕物質拋射都將如期而至。極端的太陽風暴會沖擊地球上的電網(wǎng)和通訊系統(tǒng)，給人類社會生活造成嚴重損失，所以研究太陽尤為重要。人們需要了解太陽活動的規(guī)律，從而有效地應對和預測惡劣太空天氣的發(fā)生。 “探日勇士”領命出征 為此，人類對太陽研究和探測的又一個宏偉計劃拉開了序幕，這個計劃啟動于本世紀初，目的是解決與太陽大氣相關的問題，人們要發(fā)射一組觀測太陽大氣的探測器，它們布設在太陽周圍和日地之間，可從不同的方位觀測和研究太陽以及日地之間的空間環(huán)境。

這組太陽探測器的“開路先鋒”是一艘名為“太陽動力學觀測臺”的太陽探測器，它于2010年2月奔向太陽，其主要任務是描繪太陽磁圖并通過監(jiān)視太陽表面的震動以探求太陽內(nèi)部的情況，從而揭秘太陽活動的根源。

“太陽動力學觀測臺”清晰地觀測了太陽大氣中的磁力線結構，并從中發(fā)現(xiàn)了耀斑和日珥拋射之間的某種聯(lián)系。當一個耀斑發(fā)生時，太陽大氣中的磁力線會在激波的擾動下變得不穩(wěn)定，從而引發(fā)一次日珥拋射。了解了這個過程后，人們就可以更好地“揣測”太陽的“脾氣”，也便于更準確地發(fā)布“太空天氣預報”了。

太陽探測器“太陽動力學觀測臺”

緊隨“太陽動力學觀測臺”之后的是“帕克太陽探測器”，這個探測器原名為“太陽探測器+”，后為紀念預測了太陽風存在的美國天文學家尤金·帕克而被命名為“帕克太陽探測器”。

2018年發(fā)射升空的“帕克”是一個耐熱的探測器，它的“拿手好戲”是進入太陽大氣的深處，并在那里對太陽風和磁場實時采樣。

前所未有地靠近太陽

目前，“帕克”正運行在一個橢圓軌道上，大約每5個月就會接近太陽一次。迄今探測器已經(jīng)完成了4次近距離太陽探測，飛船每次都在距離太陽表面2400萬千米的地方飛行，這個距離大約比水星到太陽的距離近2倍。

“帕克”的飛行任務將持續(xù)近7年，它要不斷地接近太陽，最近時距太陽僅僅大約610萬千米，只相當于太陽半徑的約9倍的地方。在那里，太陽看上去比我們在地球上看到的大23倍。

“帕克”要收集幾十年來一直困擾科學家們的種種神秘現(xiàn)象?？茖W團隊操縱“帕克”穿越來自太陽的稀薄等離子體（帶電粒子流），這些科學家希望了解的問題包括“為什么太陽的大氣層比太陽表面熱數(shù)百萬度”。他們還想知道穿越太陽系的太陽風，即太陽釋放的帶電粒子流的動力是什么。

目前“帕克”已經(jīng)收獲了很多驚喜。超級巨浪、浮動磁島、帶電粒子的“驟雨”、“隱形”日冕物質拋射，這就是“帕克”靠近太陽時的所見所聞。 2019年12月4日，相關科學家在《自然》雜志上發(fā)表了4篇在線論文，描述了“帕克”在越來越接近太陽時的奇遇，這為人們提供了一個跟隨“帕克”近距離感受太陽魅力的機會。

“帕克”的奇遇

在“帕克”與太陽的近距離接觸中，射入太空的等離子體沖擊著它，整個過程通常持續(xù)一兩分鐘。有時，這些等離子體沖擊時的時速高達50萬千米，這幾乎是正常速度的2倍。在此之前，科學家們從未見過這樣的情況。

每次等離子體的沖擊波還在探測器周圍引發(fā)磁場的突然逆轉，“帕克”上的指南針會像波浪經(jīng)過了一般發(fā)生旋轉，這是太陽磁場造成的，它隨著太陽內(nèi)部流體的攪動而顫動。只是“帕克”感受到的顫動頻率非常高，而且非常強烈，科學家們很是驚訝。

當“帕克”接近太陽時，它發(fā)現(xiàn)那里的等離子體以比人們預期快得多的速度環(huán)繞太陽旋轉，數(shù)據(jù)顯示這個速度高達50千米/秒。而此前人們一直認為，這個速度僅為幾千米/秒，這大大出乎科學家們的預料。

如此快的速度可能意味著人們必須重新思考太陽以及所有恒星是如何進化的。當恒星風盤旋而去時，它們攜帶著恒星的旋轉能量，會逐漸減緩恒星的旋轉速度，所以更快的螺旋風可能意味著恒星旋轉減緩的速度比科學家們想象的要快得多。

“帕克”一直忙于感受應接不暇的新鮮事，但同時也沒有忘記解決一個舊有的疑問：“緩慢”太陽風的起源。人們了解到，來自太陽的粒子流是兩股氣流的混合，一股的移動速度是另一股的2倍。研究人員已經(jīng)證明，快速粒子流的源頭在太陽的兩極附近，它經(jīng)由太陽磁場中的漏斗狀開口流動，這些開口被稱為“冕洞”。現(xiàn)在，“帕克”的探測數(shù)據(jù)表明，緩慢粒子流來自太陽赤道附近的小冕洞。

“帕克”還記錄了來自太陽的高能粒子小爆發(fā)，其中大部分是質子。這些爆發(fā)可能為更大的粒子波提供了“種子”。有科學家認為，這種“粒子海嘯”有時就是太陽風的一部分。

“帕克”還有后繼者

“帕克”的下一個大動作是多達18次的太陽環(huán)繞飛行。在這個過程中，它要利用金星的引力一點點地接近太陽。從2024年12月開始，“帕克”的最后3次環(huán)繞將使它離太陽表面更近，僅僅是以往距離的1/7左右，這對“帕克”的所有特殊保護技術都將是一次考驗。

然而“帕克”并不是繼“太陽動力學觀測臺”之后僅有的“后繼者”，2020年2月，一艘名為“太陽軌道飛行器”的太陽探測器又出發(fā)了。這艘探測器將在距離太陽4200萬千米的地方收集數(shù)據(jù)，它還要對太陽的兩極進行觀測，這是因為，此前的太陽探測器多數(shù)把觀測目標放在太陽的赤道和赤道兩側的區(qū)域，而對太陽極區(qū)的觀測則顯得不足?？茖W家們寄希望這艘新太陽探測器能觀測更廣闊的區(qū)域，從而揭開更多的太陽奧秘。

一束密集的太陽等離子流延伸至太空。（“帕克”拍攝）

目前，“帕克”已經(jīng)發(fā)回了很多數(shù)據(jù)，“太陽軌道飛行器”也將成為“帕克”的有力合作者，而更新的太陽探測器還將陸續(xù)飛往太陽，成為太陽探測的生力軍。

毫無疑問，太陽是一顆充滿奧秘的星球，人類對它的探索會長期持續(xù)下去。這是一個規(guī)模宏大的工程，必將有眾多探測器前赴后繼飛往太陽，它們本領高強，不辱使命，是勇敢無畏的“探日勇士”。正因為有了它們，人類了解太陽和日地之間空間環(huán)境的步伐才能夠前所未有地加速。

一個太陽風暴