史上首次！NASA帕克探測器穿過日冕“接觸”太陽

有史以來，人類的探測器第一次與太陽“親密接觸”。美國國家航空航天局（NASA）的帕克太陽探測器在發射三年後，終於飛越了太陽的上層大氣——日冕，在那裏採集了粒子樣品並觀測了磁場。

這是人類太空探索的里程碑事件，標誌着帕克太陽探測器邁出了一大步，也是太陽科學的一大步。在上個世紀，阿波羅任務讓人類登上了月球，後續的研究讓科學家們得以瞭解月球的形成過程。與此類似，接觸太陽的組成物質將幫助科學家發現有關太陽及其對太陽系影響的關鍵信息。

“帕克太陽探測器‘接觸太陽’是太陽科學的里程碑，是一個真正了不起的壯舉，” NASA科學任務理事會副主任托馬斯·祖布欽說，“這一里程碑不僅讓我們對太陽的演化及其對太陽系的影響有了更深入的瞭解，另一方面，對我們這顆恆星的瞭解也會讓我們更多地瞭解宇宙中的其他恆星。”

帕克探測器在靠近太陽表面，尤其是進入太陽風內部時取得了新的發現，這是其他距離較遠的航天器無法觀測到的。太陽風是來自太陽上層大氣的超高速帶電粒子流，能夠影響我們在地球上的日常生活。2019年，帕克探測器發現在太陽風內部存在一種經常快速改變方向的磁場結構，被天文學家稱爲“折返”（switchback）。這種磁場結構在太陽附近非常豐富，但它們是如何形成的，在哪裏形成，仍然是個謎。與當時相比，現在帕克太陽探測器到太陽的距離已經減半，近到足以接觸太陽風的起源地：太陽表面。

帕克太陽探測器第一次穿過日冕，以及未來更多的近距離飛越，將爲天文學家提供更多的數據，以瞭解那些無法從遠處觀測的現象。

美國約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室帕克探測器項目的科學家努爾·拉瓦菲說：“帕克太陽探測器飛得離太陽如此之近，已經能夠探測到太陽大氣的磁性層——日冕——的情況，這是我們以前從未做到的。我們在磁場數據、太陽風數據和視覺圖像中，都看到了日冕存在的證據。現在，我們能夠真切地看到探測器穿過日冕——在日全食期間可以觀察到這一結構——的過程。”

比以往更近

帕克太陽探測器於2018年發射，其目的是在以往任何航天器都更近的距離上，探索太陽的奧祕。這一概念是在數十年前提出的，而在發射三年後，帕克探測器終於來到了太陽表面附近。

與地球不同，太陽的表面並不是固體，而是具有一個高溫的大氣層，由太陽物質組成，通過引力和磁力與太陽結合在一起。上升的熱量和壓力將這些物質逐漸推離太陽，使其到達一個臨界點，那裏的引力和磁場都微弱到無法將其維繫。

這個點被稱爲“阿爾文臨界面”（Alfvén critical surface），標誌着太陽大氣層的終結和太陽風的開始。攜帶能量並穿過阿爾文臨界面的太陽物質變成了太陽風，在太陽磁場的牽引下穿越太陽系，到達地球和更遠的地方。重要的是，在阿爾文臨界面之外，太陽風移動得如此之快，以至於風中的波無法以足夠快的速度返回太陽——它們的連接切斷了。

到目前爲止，研究人員還不確定阿爾文臨界面的確切位置。根據遠程觀測獲得的日冕圖像估計，阿爾文臨界面在距離太陽表面10到20個太陽半徑，即690萬到1380萬公里之間。帕克探測器以螺旋形軌跡慢慢靠近太陽，在最後幾次經過太陽時，探測器與太陽表面的距離始終低於20個太陽半徑（地球到太陽距離的91%），從而處於穿越阿爾文臨界面的位置——如果估計正確的話。

2021年4月28日，帕克探測器在第8次飛越太陽時遇到了特殊的磁場和粒子情況，此時它距離太陽表面約18.8太陽半徑（約1300萬公里）。這意味着，它首次越過了阿爾文臨界面，終於進入了太陽的大氣層。

“我們對此有充分的預期，帕克探測器遲早會穿過日冕，至少維持一小段時間，”美國密歇根大學教授、BWX Technologies公司副首席技術官賈斯汀·卡斯帕說，“而令人興奮的是，我們已經實現了這個目標。”在近期的《物理評論快報》（Physical Review Letters）雜誌上，卡斯帕作爲第一作者對這項里程碑成就進行了闡述。

帕克太陽探測器在第9次時穿過日冕時，飛越了被稱爲“冕流”的結構。在上方的圖片中，這些結構呈現爲向上移動的明亮特徵；在下方圖片中，這些結構則向下傾斜。這樣的景象只有在探測器飛過冕流上方和下方時才能看到。到目前爲止，人們只能從遠處觀察冕流。在日全食期間，我們可以在地球上看到這些結構。

進入“風暴眼”

在飛越過程中，帕克太陽探測器多次進出日冕。這證明了一些人的預測，即阿爾文臨界面並不呈現光滑的球形。相反，其表面具有尖峯和低谷。探測結果發現，這些突出部分的位置與源自太陽表面的活動相一致，這可以幫助科學家進一步瞭解太陽活動如何影響太陽大氣層與太陽風。

有一次，當帕克太陽探測器剛到達與太陽表面不到15個太陽半徑（約1050萬公里）的地方時，它穿過了日冕中一個被稱爲“僞冕流”（pseudostreamer）的特徵。僞冕流是一種巨大的結構，從太陽表面升起，在日食期間可以從地球上觀察到。

穿過僞冕流就像飛進了風暴眼。在僞冕流內部，環境變得安靜下來，粒子速度變慢，“折返”的數量也減少了——與航天器在太陽風中通常遇到的粒子密集攻擊相比，這是一個顯著的變化。

帕克太陽探測器第一次發現自己處在一個磁場強大到足以控制粒子運動的區域。這些條件是探測器已通過阿爾文臨界面並進入太陽大氣層的決定性證據，在這一區域，磁場改變了一切事物的運動。

第一次穿越日冕只持續了數小時，是該任務中計劃的許多次穿越之一。帕克將繼續以螺旋形軌跡靠近太陽，最終到達距離太陽表面約8.86太陽半徑（約616萬公里）的地方。下一次近距離探測將在2022年1月，可能會讓帕克太陽探測器再次穿過日冕。

“我很樂於見到帕克探測器在未來幾年反覆穿過日冕的過程中能發現什麼，”NASA總部太陽物理學部門負責人尼古拉·福克斯說，“獲得新發現的機會是無限的。”

日冕的大小也受到太陽活動的影響。隨着大約11年的太陽活動週期逐漸活躍，日冕的外緣將擴大，使帕克太陽探測器有更大的機會在日冕內停留更長的時間。“這是一個非常重要，很值得深入的區域，我們認爲，各種潛在的物理現象都可能出現，”卡斯帕說，“現在我們正進入這一區域，希望能看到一些這樣的物理現象和行爲。”

帕克太陽探測器逐漸接近太陽，在穿越未知區域的過程中獲得了許多新的發現。這張圖片顯示了帕克太陽探測器取得一些里程碑意義的發現時與太陽的距離。

確定“折返”的起源

甚至在帕克探測器第一次穿越日冕之前，一些令人驚訝的物理現象就已經出現了。在近期的飛越中，帕克太陽探測器收集了許多數據，確定了太陽風內部鋸齒狀結構，即“折返”的起源。數據顯示，出現折返的一個地方是在太陽的可見表面——光球層。

當太陽風到達1.5億公里之外的地球時，已經是一股由粒子和磁場組成的“無情狂風”。但最初，當太陽風掙脫引力從太陽表面逃逸時，它的結構呈零散的狀態。在20世紀90年代中期，NASA和歐洲空間局（ESA）的尤利西斯號探測器飛越太陽兩極，在太陽風的磁力線中發現了一些奇異的S形扭曲，這些扭曲導致帶電粒子以Z字形路徑逃離太陽。幾十年來，科學家一直認爲，這種偶爾出現的折返現象只存在於太陽的兩極地區。

2019年，帕克太陽探測器發現，在距離太陽約34個太陽半徑的地方，折返不僅不罕見，反而在太陽風內部十分常見。這重新激起了人們對這些特徵的興趣，也提出了新的問題：它們來自哪裏？它們是在太陽表面形成的，還是由太陽大氣層中某些磁場扭曲的過程形成的？發表於《天體物理學雜誌》（Astrophysical Journal）上的新研究最終證實，折返的起源點之一就位於太陽表面附近。

這些線索來自於帕克探測器第6次飛越太陽時所獲得的數據，此時它的軌道距離太陽不到25個太陽半徑。數據顯示，折返出現於小塊區域中，而且其中氦的含量比其他元素要高。科學家已經知道，氦來自於太陽的光球層。當研究人員發現這些區域與磁漏斗對齊時，折返的起源範圍就進一步縮小了。磁漏斗通常出現於光球層的對流細胞結構（稱爲超米粒組織）之間。

除了是折返的發源地，研究人員還認爲磁漏斗可能是太陽風其中一個組分的來源。太陽風有高速和低速兩種形式，從太陽的磁場極地附近吹出的是高速太陽風，從太陽的磁場赤道附近吹出的是低速太陽風。磁漏斗可能是高速太陽風內部一些粒子的來源。

加州大學伯克利分校教授、這篇新論文的第一作者斯圖爾特·貝爾說：“存在折返的區域在結構上與日冕底部一個小型磁漏斗結構相匹配。這是我們從一些理論中可以預期的，確定了太陽風本身的來源。”

瞭解高速太陽風的組分是在哪裏出現，如何出現，以及它們是否與折返有關，將有助於科學家解答一個長期存在的太陽謎題：日冕如何被加熱至100萬開爾文的高溫，遠遠高於太陽表面的溫度（約爲6000開爾文）？

儘管這些新發現確定了磁場折返發生的位置，但研究人員尚不能確定它們是如何形成的。一種理論認爲，它們可能是由像海浪一樣穿過該區域的等離子體波產生的。另一種說法是，它們是在被稱爲磁重聯的爆發過程形成的。磁重聯是一種發生於高導電等離子體中的物理過程，被認爲發生在磁漏斗聚集的邊界處。

“我的直覺是，隨着帕克探測器任務越深入，越向下，越靠近太陽，我們將更多地瞭解磁漏斗是如何與折返連接的，”貝爾說，“並有望解決它們在什麼過程中產生的問題。”

現在，研究人員已經知道了要尋找的目標，帕克太陽探測器的近距離飛越可能會揭示更多關於折返和其他太陽現象的線索。即將獲得的數據將使研究人員得以窺探一個至關重要的區域，正是該區域使日冕顯著升溫，並將太陽風的速度推到了音速以上。在日冕內部的測量，對於理解和預測極端空間天氣事件也至關重要，這些事件可能會嚴重干擾地球的通信並破壞地球周圍的衛星。

NASA總部帕克太陽探測器項目的主管約瑟夫·史密斯說：“看到我們利用先進的技術，成功地將帕克太陽探測器送到比以往任何時候都更接近太陽的地方，並能夠返回如此驚人的科學成果，確實很令人興奮。我們期待着在未來幾年，當該任務在更近距離進行探索的時候，能帶給我們更多的發現。”（任天）