神秘的东西正在阳光下 - 热门电晕的好奇案例

美国宇航局的帕克太阳探测器和热日冕奇观

在月球表面上方,日冕(如图所示)延伸了数百万英里,并与等离子体纠缠在一起。最终,它以太阳风的形式继续向外延伸,这是一股超音速等离子流,渗透到整个太阳系。NASA戈达德太空飞行中心/Lisa Poje/Genna Duberstein

太阳上正在发生神秘的事情。与所有逻辑背道而驰的是,它的大气层离太阳炽热的表面越远,温度就越高。

电晕的温度 - 太阳能大气的脆弱,最外层 - 尖峰向上为200万度华氏温度而就在海平面以下1000英里处,地下表面的温度高达10000华氏度。太阳是如何完成这一壮举的,仍然是天体物理学中最大的未解之谜之一;科学家称之为日冕加热问题。一个新的,具有里程碑意义的任务,美国国家航空航天局帕克太阳能探测 - 计划于2018年8月11日早些时候推出 - 将通过电晕本身飞行,寻求其行为的线索,并为科学家提供机会来解决这个神秘。

从地球上看,就像我们在可见光中看到的那样,太阳的外表——安静、不变——掩盖了离我们最近的恒星的生命和戏剧性。火山喷发和强烈的辐射爆发使其湍流的表面发生摇晃,将太阳物质以难以置信的速度抛向太阳系的每一个角落。这种太阳活动可能引发空间天气事件,有可能干扰无线电通信,损害卫星和宇航员,最严重的情况下,还会干扰电网。

在地表上方,日冕绵延数百万英里,并随海水翻滚等离子体,气体如此多地过热,以至于它们分离成电流和自由电子流。最终,它以太阳风的形式继续向外延伸,这是一股超音速等离子流,渗透到整个太阳系。所以,人类在太阳的延长气氛中生活得很好。为了充分了解电晕和所有的秘密是不仅要了解地球上生命的明星,还要了解我们周围的空间。


冠状加热问题仍然是天体物理学中最伟大的未解决问题之一。了解天文学家在19世纪的eclipse期间如何发现这一神秘的证据,今天的科学家可以解释它。学分:美国宇航局的戈达德太空飞行中心/欢乐

一个150岁的谜团

我们对日冕的大部分了解都深深植根于日全食的历史中。在复杂的乐器和宇宙飞船之前,唯一一个从地球学习电晕的方法是在一个总食中,当月亮阻挡太阳的光亮的脸时,揭示周围的暗情暗情。

冠状加热问题的故事开始于在1869年总食中观察到的绿色光谱线。由于不同的元件在特征波长下发光,因此科学家可以使用光谱仪来分析来自太阳的光并识别其组成。但是在1869年观察到的绿线并不对应于地球上的任何已知元素。科学家认为他们也许他们发现了一个新的元素,他们称之为血糖。

帕克太阳探测器与热日冕奇案

我们对日冕的大部分了解都深深植根于日全食的历史中。帕克太阳探测器将飞越这个区域,寻找太阳活动的线索。这张照片拍摄于2017年8月21日日全食期间,俄勒冈州马德拉斯。美国宇航局戈达德太空飞行中心/戈帕尔斯瓦米

直到70年后,一位瑞典物理学家才发现造成辐射的元素是铁,它被加热到电离13次的程度,只剩下正常电子的一半原子的铁。问题就在这里:科学家计算出,如此高的电离水平需要日冕温度在200万华氏度左右——几乎是表面温度的200倍。

几十年来,这种愚蠢的简单绿色线路一直是太阳科学的蒙娜丽莎,挡住了无法解释其存在的融合科学家。由于识别其来源以来,我们已经了解拼图比第一次出现更复杂。

“我认为日冕变暖问题就像一把雨伞,涵盖了几个相关的令人困惑的问题,”密歇根大学安娜堡分校(University of Michigan in Ann Arbor)的空间科学家贾斯汀·卡斯珀(Justin Kasper)说。Kasper也是SWEAP的首席研究员,SWEAP是太阳风电子阿尔法和质子调查的缩写,是帕克太阳探测器上的一个仪器套件。“首先,日冕是如何迅速变得如此炎热的?但问题的第二部分是,它不只是开始,而是继续。不仅加热会继续,而且不同的元素会以不同的速度被加热。”这是太阳加热过程中一个有趣的暗示。

自从发现热的电晕,科学家和工程师已经做了很多工作来了解其行为。他们开发了强大的模型和仪器,并推出了观看时钟阳光的航天器。但即使是最复杂的模型和高分辨率观察也只能部分解释冠状加热,并且一些理论互相矛盾。还存在从远处研究电晕的问题。

我们可能住在阳光的膨胀氛围内,但近地上空间中的电晕和太阳等离子体急剧差异。它需要缓慢的太阳风大约四天,以旅行9300万英里,到达地球或航天器 - 有足够的时间与其他颗粒通过空间伸出并失去其定义特征的时间。

研究这种冠状动脉的线索的这种均匀汤是试图研究一座山的地质,通过在沿着河流下游的河流中的沉积物来实现沉积物。帕克太阳能探头前往电晕,将采样刚刚加热的粒子,从而消除了9300万英里的旅程的不确定性,并回到地球上的最原始测量历史记录的最原始测量。

“我们多年来的所有工作都达到了这一点:我们意识到我们永远无法完全解决冠状加热问题,直到我们发送探头来在电晕本身进行测量,”帕克太阳能探测副项目科学家和约翰霍普金斯大学应用物理实验室在马里兰州的太阳能主义者。

到太阳旅行是一个比美国国家航空航天局年长的想法,但它已经拍摄了几十年来工程师,这项技术使其旅程成为可能。在那个时候,科学家们已经确定了什么类型的数据 - 和相应的乐器 - 他们需要完成电晕的照片并回答这种终极燃烧问题。

太阳对流运动的特写镜头

这是由美国宇航局和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)合作拍摄的“日之出”(Hinode)拍摄的太阳对流或沸腾运动的特写,右侧有一个小型太阳黑子正在形成。太阳的外层不断地因机械能而沸腾翻滚。这种流体运动产生了复杂的磁场,一直延伸到日冕。学分:NASA /日本/日之出

解释科罗长的秘密

帕克太阳探测器将测试解释日冕加热的两个主要理论。太阳的外层不断地因机械能而沸腾翻滚。当大量带电等离子体细胞在太阳中搅动时——就像不同的气泡在沸腾的水中翻滚一样——它们的流体运动产生了复杂的磁场,一直延伸到日冕。在某种程度上,这些纠缠在一起的场将这些凶猛的能量以热量的形式导入日冕——它们是如何做到的,这是每个理论都试图解释的。

一种理论认为电磁波是日冕极热的根源。也许这种沸腾运动会从太阳内部深处发射出某种频率的电磁波——称为阿尔芬波——进入日冕,使带电粒子旋转并加热大气,有点像海浪推动和加速冲浪者靠岸。

另一种说法是,穿过太阳表面的类似炸弹的爆炸,称为纳米耀斑,将热量释放到太阳大气中。与较大的太阳耀斑一样,纳米耀斑被认为是由一种叫做磁重联的爆炸过程引起的。太阳上的湍流沸腾扭曲和扭曲了磁力线,产生了应力和张力,直到它们爆炸性地断裂——就像折断了一根缠绕过度的橡皮筋——加速并加热尾迹中的粒子。

这两种理论并不一定相互排斥。事实上,使事情复杂化的是,许多科学家认为两者都可能与日冕加热有关。例如,有时,引发纳米耀斑的磁场重联也会发射阿尔文波,从而进一步加热周围的等离子体。

另一个大问题是,这些过程发生的频率是多少——是持续的还是明显的突发?要回答这个问题,我们需要具备9300万英里以外所没有的细节。

“We’re going close to the heating, and there are times Parker Solar Probe will co-rotate, or orbit the Sun at the same speed the Sun itself rotates,” said Eric Christian, a space scientist at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, and member of the mission’s science team. “That’s an important part of the science. By hovering over the same spot, we’ll see the evolution of heating.”

帕克太阳探测器

美国航天局帕克太阳探测器的艺术家构想。该航天器将飞越太阳日冕,追踪能量和热量如何通过恒星的大气层。资料来源:美国宇航局/约翰霍普金斯APL

揭开证据

一旦帕克太阳能探测到达了电晕,它将如何帮助科学家区分波浪或纳米散丝驱动加热?虽然航天器带有四种类型的研究仪器套件,但两个尤其会获得用于解决冠状加热神秘的数据:田地实验和服务。

无形力量测量员菲尔兹,由加州大学伯克利分校,直接测量电源和磁场,以了解加热太阳风的冲击,波浪和磁性重构事件。

由位于马萨诸塞州剑桥的哈佛-史密森天体物理天文台领导的SWEAP是这项研究的补充部分,它收集了有关热等离子体本身的数据。它计算太阳风中最丰富的粒子——电子、质子和氦离子——并测量它们的温度、加热后它们移动的速度以及方向。

这两套仪器组合在一起描绘了一幅被认为是导致加热的电磁场图像,以及刚刚加热的太阳粒子在日冕中旋转的图像。他们成功的关键是高分辨率测量,能够在几分之一秒的时间内解决波和粒子之间的相互作用。

帕克太阳探测器将在距离太阳表面390万英里的范围内俯冲——虽然这个距离看起来很遥远,但它的位置很好,可以探测到日冕加热的信号。戈达德太阳科学家尼科琳·维尔说:“尽管磁场重联事件发生在靠近太阳表面的较低位置,但航天器将在等离子体发生后立即看到它们。”“我们有机会将温度计对准日冕,观察温度的上升。相比之下,在研究四天前从地球加热的等离子体时,很多3D结构和时间敏感信息都被冲掉了。”

这部分电晕完全是未开发的领土,科学家期待景点与他们以前见过的任何东西不同。有些人认为等离子体会像卷云一样有雏鸟和脆弱。或者也许它将看起来像是从太阳辐射的巨大管道清洁剂的结构。

加州大学伯克利分校天体物理学家、FIELDS首席研究员斯图尔特·贝尔(Stuart Bale)说:“我非常肯定,当我们得到第一轮数据时,我们将看到太阳附近较低海拔的太阳风是尖峰和脉冲的。”“我敢打赌,这些数据比我们在地球附近看到的更令人兴奋。”

数据足够复杂 - 来自多个乐器 - 它将需要科学家们将一段时间作着一起冠状加热的解释。因为太阳的表面不顺畅并且在整个过程中变化,帕克太阳能探头需要使多次通过太阳来讲述整个故事。但科学家有信心它有助于回答他们的问题。

基本思想是每种提出的加热机制都有其自身独特的签名。如果Alfvén波是电晕的极端热量的来源,那么田地将检测他们的活动。由于较重的离子以不同的速率加热,因此看似不同类别的颗粒以特定方式与这些波相互作用;SWEAP将表征其独特的互动。

如果纳米散发是责任,科学家期望看到爆炸磁性重新连接的爆炸标志的加速粒子的喷射。在发生磁性重新连接的情况下,它们还应该检测磁场正在快速改变和加热周围等离子体的热点。

发现前方

在太阳科学家中有一种热切和兴奋的声音:帕克太阳探测器的任务标志着天体物理学历史上的一个分水岭,他们有一个真正的机会来解开困扰他们领域近150年的谜团。

通过拼凑日冕的内部工作机制,科学家们将对引发空间天气事件、形成近地空间条件的动力学有更深入的了解。但这门科学的应用范围也超出了太阳系。太阳打开了一扇了解其他恒星的窗口——特别是那些也表现出类似太阳的热量的恒星——这些恒星可能形成宜居的环境,但距离研究太远。阐明等离子体的基本物理可能会教给科学家很多关于宇宙中其他地方等离子体的行为,比如星系团或黑洞周围。

我们也完全有可能构思最大的发现。这很难预测解决冠状热量如何改变我们对我们周围的空间的理解,但是这一基本发现可以永远改变科学和技术。Parker Solar Probe的旅程将对太阳系的永无止看见的地区带来了人力好奇心,每个观察都是潜在的发现。

“我差点肯定会发现我们现在不知道的新现象,这对我们来说非常令人兴奋,”Raouafi说。“帕克太阳能探头将通过帮助我们了解冠状加热 - 以及太阳能加速和太阳能粒子 - 但我认为它还有可能引导太阳能物理的未来的方向。”

8评论“太阳上正在发生着一些神秘的事情——热日冕的奇怪情况”

  1. 人造冠变暖吗?那些讨厌的探针是罪魁祸首。只是开玩笑。

    冕状变暖会对地球的气候变化负责吗?

    在当前的热浪中,太阳黑子的不活跃(可能与日冕温度高有关?)正在创造记录。

    • 我看到电晕随着时间的推移,电晕正在随着时间的推移而增加,这是去年的2百万学位,今年是200万和2万。

      这篇文章是关于热量从表面持续转移到电晕的方法,以保持电晕的温度或多或少的稳定。

  2. 非常感谢。

    非常丰富和清晰。

    在几十年的日新月异中,我亲身感受到辐射热的巨大变化。

    视觉上我们的太阳似乎从更柔和的发光变化,好像燃烧较慢,高效,进入漫反射明亮的白色地狱。

    无论原因还是结果,知道真相是我们的弹性性质如何了解如何适应变化。

  3. 维罗妮卡罗奇|2018年11月8日上午10:45|回复

    然后还有电宇宙/等离子宇宙理论,它对温度问题没有这样的问题....如果你想看的话,所有的解释都很好!

  4. 真有趣,你们都看科学。这件事完全是上帝的旨意!太阳☀️就在我们眼前变化着。我们正在向一个磁太阳移动。

  5. 我可以发送哪些电子邮件地址我送我的阳光,我觉得有点舒适。我试过博士,但它拒绝了他们

发表评论

电子邮件地址是可选的。如果提供的话,您的电子邮件不会发布或共享。