“帕克”太陽探測器成果首秀 太陽風謎團有望破解？_風聞

“帕克”太陽探測器（Parker Solar Probe，PSP）又譯派克太陽探測器，是約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）和美國宇航局（NASA）共同研製的一顆繞日無人探測衞星。最近，“帕克”太陽探測器發現了太陽風中的奇怪速度尖峯——粒子在那裏加速並改變了太陽風的磁場方向。該探測器還觀測到環繞太陽旋轉的太陽風的速度比預期的要快，這意味着科學家對於恆星如何隨着年齡增長而減慢自轉速度的理解可能需要改進。一直以來科學家們都密切關注着太陽風的變化，那麼什麼是太陽風？“帕克”太陽探測器下一步目標又是什麼？聽聽中國科學院院士汪景琇怎麼説～

Q：“帕克”太陽探測器的首批成果揭示了什麼問題？

**汪景琇：**依據帕克太陽探針最初兩次繞日飛行，特別是在近日點附近的局地實測和成像觀測數據，太陽和空間物理學家取得了首批重要發現。

圖1 “帕克”太陽探測器

一個最重要的發現，是太陽風的磁場會出現時標為幾分鐘的局地極性反轉，表現為S-型磁場扭曲隨太陽風的快速傳播，磁場反轉與太陽風局地等離子體徑向速度的高速尖峯相聯繫，並伴有等離子體密度和電磁能流（坡印廷流量）密度的快速增長；另一個沒有想到的結果，是環繞太陽旋轉的太陽風的速度比早先理論預言的速度快得多，太陽風可能帶走更多的能量和角動量。“帕克”太陽探測器還探測到了豐富的等離子體天體物理過程，包括太陽風中電磁場的脈動，離子和電子的微觀不穩定性等。

抵近太陽的成像觀測還診斷出日冕物質拋射的磁繩結構和理論預言的太陽風電流片中的等離子團和磁島等結構。

Q：太陽風是什麼？對人類生活會產生什麼影響？為什麼要研究它？

**汪景琇：**談到太陽風，不能不先説説太陽等離子體。等離子體是固體、流體、氣體之外物質存在的第四種狀態。當物質被加熱到足夠高的温度時，組成中性原子的帶正電荷的離子和帶負電荷的電子會脱離相互束縛，離解成自由移動的粒子，等離子體是由總體保持電中性的自由移動的離子和電子組成的。

太陽風是指從太陽外層大氣膨脹到整個行星際空間的、由離子和電子組成的高温等離子體流。高速太陽風（>500公里/秒）來自太陽極區開放型磁場（被稱為極區冕洞）的區域。本次“帕克”太陽探測器探測的是低速太陽風，是從太陽赤道附近的一個具有開放性磁場的低緯冕洞流出的。

太陽風是發生在太陽外層大氣中一個最基本的物理過程，對太陽作為恆星的演化、太陽系的形成和結構、人類生存的近地環境都有重要的影響。作為高速外流的高温等離子體，這一過程對其它恆星（星風）、星系（星系風）都有普遍性。理解太陽風的起源是天體物理中一個重要課題。

太陽風作為聯繫太陽和地球的紐帶和媒介，對決定太陽擾動，包括劇烈太陽活動對地的傳播和影響過程都有非常實際的意義。例如，一個重大的日冕物質拋射（在行星際被稱為磁雲）事件是否能影響地球環境，要多長時間能撞擊地球的磁層，是否會造成空間天氣災害，不僅取決於日冕物質拋射本身的速度、等離子體密度、磁場方向和強度等，還取決於背景太陽風的性質、結構及其與日冕物質拋射的相互作用。

圖2 太陽風對地球磁場的影響示意圖

Q：人類是否有能力消除太陽風的影響？

**汪景琇：**太陽通過自己的電磁輻射和太陽風粒子輻射控制和影響太陽系。太陽風充滿整個行星際空間，人類不可能消除太陽風的影響。

太陽風中有一個與太陽活動相聯繫的大尺度瞬變分量，即前面提到的日冕物質拋射。後者常常與太陽耀斑和太陽暗條爆發同時或相繼發生，驅動強烈的地磁暴等災害性空間天氣，對地球空間環境和人類高技術系統產生重要影響。由於涉及的能量巨大，人類尚無法控制日冕物質拋射，但是可以研究、理解並最終預測其發生發展，並找到規避的方法。這是太陽物理學者面臨的重大基礎研究課題和擔負的重要使命。

Q：日冕加熱問題2012年被《科學》雜誌列為當代天文學八大未解之謎之一，什麼是日冕層？此次發現對解決這個問題是否有幫助？

**汪景琇：**日冕是太陽最外層的大氣，位於太陽光球、色球和過渡區之上，向外一直擴展到行星際空間。其邊界沒有嚴格的定義，依太陽活動水平而有所變化。按照最近的太陽大氣模型，對沒有太陽活動的寧靜太陽，日冕底邊界在太陽表面（温度極小區附近）之上約4萬公里。在日全食時，當日冕儀的遮光板遮住了明亮的太陽光球和色球，人們看到的是銀灰色的、擴展的日冕。

圖3  太陽大氣層結構示意圖

日冕的温度在百萬度之上，而太陽表面的温度只有6千度左右，與地球大氣“高處不勝寒”的常識相反，是挑戰性的科學難題。而且由於日冕的密度很低，日冕的温度不是我們通常理解的熱力學温度，是通過原子多次電離和大量禁戒能級躍遷光譜來量度的。

“帕克”太陽探測器儘管實地探測到了日冕的百萬度高温，但其最初的成果與解密百萬度日冕尚沒有直接的聯繫，但它卻提供了一些可能值得注意的導致日冕加熱的線索。例如低速太陽風磁場的局地快速反變和相伴的電磁能流密度的增長，太陽風電磁場脈動及等離子體微觀不穩定性，阿爾文波類擾動等的證認，都值得進一步的實測努力和理論探索。期待在越來越抵近太陽的征程中，“帕克”太陽探測器取得解密日冕加熱的決定性結果。   

Q：太陽的磁極每22年變換一次，但從探測器中發現太陽的磁場在靠近其表面時變得不穩定，這可能是什麼原因？

**汪景琇：**太陽的磁週期是22年，其普遍磁場的極性分佈每22年重複一次。“太陽的磁極每22年變換一次”，是對太陽的普遍磁場而言的。

“帕克”太陽探測器在穿越由一個低緯冕洞流出的太陽風時，測到了時標為幾分鐘的局地磁場反變，與太陽普遍磁場的22年磁週期沒有關係。慢速太陽風中觀測到的磁場極性反轉，很大可能是來自冕洞內部的小尺度磁場的雙極浮現，是導致的等離子體噴流和擾動進入太陽風的結果。

Q：接下來它的探測目標是什麼？

汪景琇：“帕克”太陽探測器有兩個最基本的科學目標：1）解開百萬度高温日冕產生之謎；2）找到太陽風即太陽能量粒子流的源頭，同時探尋和診斷日冕中以太陽活動初發為特徵的爆發式磁能釋放的機理。目前，它剛剛繞日3周，還會在未來6年繞日21周並越來越抵近太陽進行探測，最終在離日面約9個太陽半徑處進行實地測量和成像觀測，完成人類歷史上觸摸太陽的壯麗征程，實現詩人屈原兩千多年前“折若木以拂日兮”的偉大暢想！

受訪專家

汪景琇，中國科學院院士，中國科學院國家天文台研究員，中國科學院大學資深講席教授，《Research in Astronomy and Astrophysics》聯合執行主編。