美国宇航局帕克太阳探测器的5个惊人新发现

2018年8月，美国国家航空航天局帕克太阳探测器发射到太空，很快成为有史以来距离太阳最近的航天器。利用先进的科学仪器测量航天器周围的环境，帕克太阳探测器已经完成了24次计划中的3次，穿越了太阳大气中从未被探索过的部分——日冕。2019年12月4日，该杂志发表了四篇新论文本性描述一下科学家们从这次史无前例的恒星探索中学到了什么，以及他们期待着下一步学习什么。

这些发现揭示了关于加速远离太阳的物质和粒子的行为的新信息，使科学家们更接近于回答关于我们的恒星物理的基本问题。为了保护宇航员在太空中与技术,信息帕克发现了关于太阳不断地放出物质和能量将帮助科学家重写我们使用的模型来理解和预测地球周围的太空天气和理解恒星创建和发展的过程。

“来自帕克的第一批数据以新的、令人惊讶的方式揭示了我们的恒星——太阳，”美国宇航局华盛顿总部科学副局长托马斯·泽布亨(Thomas Zurbuchen)说。“近距离观测太阳，而不是从远得多的距离，让我们对重要的太阳现象以及它们如何影响地球上的我们，有了前所未有的看法，并为我们理解跨星系的活动恒星提供了新的见解。这只是太阳物理学令人难以置信的激动时刻的开始，帕克是新发现的先锋。”

虽然太阳在地球上看起来很平静，但它一点也不安静。我们的恒星是磁活跃的，释放出强大的光爆发，以接近光速移动的粒子洪流和十亿吨磁化物质云。所有这些活动都影响着我们的星球，向我们的卫星和宇航员飞行的空间中注入破坏性粒子，扰乱通信和导航信号，甚至在严重时引发停电。在太阳50亿年的生命周期中，这种现象一直在发生，并将继续塑造地球和太阳系其他行星未来的命运。

美国宇航局的帕克太阳探测任务从太阳附近返回了前所未有的数据，并于2019年12月4日在《自然》杂志上发表了新的发现。这些发现包括对太阳物质不断外流的新理解，即太阳风的行为。在地球附近，太阳风可以与地球的自然磁场相互作用，造成干扰技术的空间天气效应，太阳风似乎是一个相对均匀的流动等离子体．但是帕克太阳探测器的观测揭示了一个从地球上看不到的复杂的活动系统。功劳:美国宇航局戈达德太空飞行中心

“太阳在我们的整个生存过程中一直吸引着人类，”努尔E。位于马里兰州劳雷尔的约翰·霍普金斯应用物理实验室的帕克太阳探测器项目科学家拉乌阿菲，该实验室为美国宇航局建造和管理该任务。”在过去的几十年里，我们对我们的恒星了解了很多，但我们确实需要一个像帕克太阳探测器这样的任务来进入太阳的大气层。只有在那里，我们才能真正了解这些复杂的太阳过程的细节。我们仅仅在这三个太阳轨道上所学到的东西就改变了我们对太阳的许多了解。”

太阳上发生的事情对于理解它如何塑造我们周围的空间至关重要。逃离太阳的大部分物质是太阳风的一部分，太阳风是一种持续流出的太阳物质，沐浴着整个太阳系。这种被称为等离子体的电离气体携带着太阳磁场，在太阳系中形成一个跨越100多亿英里的巨大气泡。

动态太阳风

在地球附近观测到的太阳风是一种相对均匀的等离子流，偶尔会有湍流。但到那时，它已经飞行了9000多万英里——太阳加热和加速太阳风的确切机制的特征消失了。靠近太阳风的源头，帕克太阳探测器看到了截然不同的景象:一个复杂的、活跃的系统。

“当我们第一次开始研究这些数据时，复杂性是令人惊叹的，”斯图尔特·贝尔(Stuart Bale)说加州大学伯克利分校，帕克太阳探测器磁场仪器套件的领导者，该仪器研究电场和磁场的大小和形状。”现在，我已经习惯了。贝尔解释说，在距离太阳1500万英里的帕克的有利位置，太阳风比我们在地球附近看到的更具冲击性和不稳定性。

就像太阳本身一样，太阳风也是由等离子体组成的。在等离子体中，带负电荷的电子与带正电荷的离子分离，形成了一片自由漂浮的粒子海洋。这些自由漂浮的粒子意味着等离子体携带电场和磁场，等离子体的变化往往会在这些磁场上留下痕迹。FIELDS仪器通过测量和仔细分析航天器周围的电场和磁场随时间的变化，以及测量附近等离子体中的波，来调查太阳风的状态。

这些测量显示了磁场的快速逆转和突然、快速移动的物质喷流——所有这些特征都使太阳风更加动荡。这些细节是理解风如何分散能量的关键，因为它从太阳和整个太阳系流动。

其中一种现象特别吸引了科学团队的注意力:磁场的方向发生翻转，磁场从太阳流出，嵌入太阳风中。当它们流过帕克太阳探测器时，这些被称为“迂回”的反转会持续几秒到几分钟。在回转过程中，磁场会迅速回到自身，直到几乎直接指向太阳。由密歇根大学(University of Michigan)领导、史密森天体物理天文台(Smithsonian Astrophysical Observatory)管理的太阳风仪器套件FIELDS和SWEAP一起，测量了帕克太阳探测器(Parker solar Probe)头两次近距离飞行时的折回星团。

“波已经在太阳风从太空时代的开始,我们认为更接近太阳海浪会变得更强壮,但我们并不希望看到它们组织到这些相干结构速度峰值,”贾斯汀Kasper说,首席研究员SWEAP——太阳风质子和电子α-的缩写在安娜堡的密歇根大学。“我们探测到太阳结构的残留物被抛入太空，剧烈地改变了流和磁场的组织。这将极大地改变我们关于日冕和太阳风如何被加热的理论。”

这种折回的确切来源还不清楚，但帕克太阳探测器的测量使科学家缩小了可能性。

在不断从太阳流出的许多粒子中，有一束快速移动的电子束，它沿着太阳的磁力线进入太阳系。这些电子总是严格地沿着远离太阳的磁场线的形状流动，不管这个特定区域的磁场北极是指向太阳还是远离太阳。但帕克太阳能电子探针测量了这个流相反的方向,抛向太阳——表明磁场本身必须弯曲回到太阳,而不是帕克太阳探测器仅仅遇到不同的磁场线从太阳相反的观点。这表明，这种折回是磁场的扭结——从太阳出发的局部扰动，而不是磁场从太阳出来时的变化。

帕克太阳探测器的观测表明，随着航天器离太阳越来越近，这种情况会变得更加常见。这次任务将于2020年1月29日再次与太阳相遇，届时航天器将比以往任何时候都更接近太阳，并可能为这一过程提供新的线索。这些信息不仅有助于改变我们对太阳风和周围空间天气成因的理解，还有助于我们理解恒星如何工作以及它们如何向环境释放能量的基本过程。

旋转太阳风

帕克太阳探测器的一些测量使科学家们更接近于对几十年前的问题的答案。其中一个问题是，太阳风究竟是如何从太阳流出的。

在地球附近，我们看到太阳风几乎是呈放射状流动的，这意味着太阳风直接从太阳流向四面八方。但是太阳在释放太阳风的同时也在旋转;在它挣脱束缚之前，太阳风与它一起旋转。这有点像儿童在游乐场的旋转木马上——大气随太阳旋转，就像旋转木马的外部部分一样，但你离中心越远，你在太空中的移动速度就越快。在边缘的孩子可能会跳下去，在那一点上，会向外直线移动，而不是继续旋转。类似地，太阳和地球之间有一个点，太阳风从与太阳一起旋转转变为直接向外流动，或呈放射状流动，就像我们在地球上看到的那样。

确切地说，太阳风从旋转流转变为完美的径向流的位置暗示了太阳是如何散发能量的。发现这一点可能有助于我们更好地理解其他恒星的生命周期或原行星盘的形成，原行星盘是年轻恒星周围由气体和尘埃组成的致密圆盘，最终会合并成行星。

现在，帕克太阳探测器第一次能够在太阳风还在旋转的时候观测到它，而不仅仅是我们在地球附近看到的直流。这就好像帕克太阳探测器第一次直接看到旋转的旋转木马，而不仅仅是孩子们从上面跳下来。帕克太阳探测器的太阳风仪器检测到从离太阳2000多万英里的地方开始旋转，当帕克接近它的近日点时，旋转的速度增加了。环流的强度比许多科学家预测的要强，但它向外流动的速度也比预测的要快，这有助于掩盖这些影响，因为我们通常位于离太阳约9300万英里的地方。

卡斯珀说:“第一次相遇时看到的太阳风的大旋转流是一个真正的惊喜。”“虽然我们希望最终能在离太阳更近的地方看到旋转运动，但我们在这些第一次相遇中看到的高速速度几乎是标准模型预测的10倍。”

太阳附近的尘埃

另一个即将得到答案的问题是难以捉摸的无尘区。我们的太阳系充斥着尘埃——数十亿年前形成行星、小行星、彗星和其他天体的宇宙碰撞碎屑。长期以来，科学家们一直怀疑，在靠近太阳的地方，这些尘埃会被强烈的阳光加热到高温，变成一种气体，并在太阳周围形成一个无尘区域。但从来没有人观察过它。

帕克太阳探测器的成像器第一次看到宇宙尘埃开始稀薄。美国海军研究实验室(Naval Research Lab)领导的帕克太阳探测器(Parker Solar Probe)的成像仪器WISPR可以从飞船的侧面看到大片的日冕和太阳风，包括靠近太阳的区域。这些图像显示，在距离太阳700多万英里的地方，尘埃开始变薄，并且尘埃的减少持续稳定地达到WISPR测量的目前极限，距离太阳400多万英里。

华盛顿海军研究实验室WISPR套件（太阳探测器广域成像仪的简称）的首席研究员Russ Howard说：“这个无尘区是几十年前预测的，但以前从未见过。我们现在看到了太阳附近的尘埃发生了什么。”

按照变薄的速度，科学家们希望看到一个真正的无尘区从距离太阳200-300万英里多一点的地方开始——这意味着帕克太阳探测器最早可以在2020年观测到无尘区，届时它第六次飞越太阳将比以往任何时候都更接近我们的恒星。

将太空天气置于显微镜下

帕克太阳探测器的测量使我们对两种类型的空间天气事件有了新的认识:高能粒子风暴和日冕物质抛射。

微小的粒子——电子和离子——被太阳活动加速，产生高能粒子风暴。太阳上发生的事件可以将这些粒子以接近光速的速度发射到太阳系，这意味着它们在不到半小时的时间内到达地球，并可以在同样短的时间内影响其他世界。这些粒子携带大量能量，因此它们会损坏航天器的电子设备，甚至危及宇航员，特别是那些在地球磁场保护之外的深空宇航员——这些粒子的预警时间很短，使它们很难避免。

确切地了解这些粒子是如何加速到如此高的速度是至关重要的。但即使它们在短短几分钟内飞抵地球，这段时间仍然足以让这些粒子失去最初加速它们的过程的特征。通过在几百万英里外围绕太阳旋转，帕克太阳探测器可以在这些粒子离开太阳后测量它们，为它们是如何释放的提供新的线索。

帕克太阳探测器的ISʘIS仪器，由普林斯顿大学他测量了几个从未见过的高能粒子事件——这些事件非常小，在它们到达地球或我们的任何近地卫星之前，它们的所有痕迹都消失了。这些仪器还测量了一种罕见的粒子爆发，其中含有大量较重的元素，这表明这两种类型的事件可能比科学家之前认为的更常见。

新泽西州普林斯顿大学太阳系综合科学研究的首席研究员大卫·麦科马斯说：“这太神奇了——即使在太阳最低条件下，太阳产生的微小高能粒子事件也比我们想象的要多得多。”这些测量将帮助我们解开太阳高能粒子的来源、加速和传输，最终更好地保护未来的卫星和宇航员。”

来自WISPR仪器的数据也提供了关于日冕和太阳风结构的前所未有的细节——包括日冕物质抛射，太阳发射到太阳系的十亿吨太阳物质云。日冕物质抛射会对地球和其他星球产生一系列影响，从引发极光到引发能破坏电网和输电线的电流。WISPR的独特视角，观察了这些远离太阳的事件，已经为我们的恒星可以释放的一系列事件提供了新的线索。

帕克太阳探测器的成像仪从航天器的隔热罩后面向侧面观察日冕中的结构。图片来源:NASA/JHUAPL/海军研究实验室/帕克太阳探测器

霍华德说:“由于帕克太阳探测器与太阳的自转相匹配，我们可以观察物质的外流，观察结构的演变。”“近地观测让我们认为日冕中的精细结构会延伸成一个平滑的流动，但我们发现这不是真的。这将帮助我们更好地模拟太阳和地球之间的运动。”

随着帕克太阳探测器继续其旅程，它将以越来越近的距离对太阳进行21次更近的接近，最终在距离太阳表面仅383万英里的地方运行3次轨道。

“太阳是我们唯一可以近距离观测的恒星，”NASA总部太阳物理学部主任尼古拉·福克斯(Nicola Fox)说。“从源头获取数据已经彻底改变了我们对我们自己的恒星和宇宙中的恒星的理解。我们的小宇宙飞船正顽强地穿越残酷的环境，向地球发回令人震惊和兴奋的消息。”

帕克太阳探测器是美国宇航局“与星同住”计划的一部分，该计划旨在探索太阳-地球系统中直接影响生活和社会的各个方面。“与星同生活”项目由位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心管理，隶属于位于华盛顿的NASA科学任务理事会。约翰霍普金斯APL公司设计、建造和操作了这艘宇宙飞船。