同時(shí)發(fā)表四篇論文，揭開太陽的重重謎題

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　　如果請(qǐng)你畫一個(gè)太陽，你很可能會(huì)在紙上畫一個(gè)亮黃色的圓圈——實(shí)際上這還挺準(zhǔn)確的，因?yàn)樘柺且粋€(gè)高溫氣體球，其表面(被稱為光球?qū)?發(fā)出明亮的黃光。黃色是由光球的溫度決定的，光球的溫度大約為 5500 攝氏度。

　　在日全食的時(shí)候，太陽的外層大氣，也就是日冕，是一個(gè)明亮的圈，月亮則擋住了其余的光。日冕由等離子體組成。大約 80 年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，日冕的溫度實(shí)際上比太陽表面溫度要高得多，可達(dá)幾百萬攝氏度。為什么日冕溫度會(huì)這么高?這是太陽物理學(xué)領(lǐng)域中最大的謎題。

　　日冕的高溫導(dǎo)致一種被稱為太陽風(fēng)的等離子體流持續(xù)噴出。太陽風(fēng)由帶電粒子組成，主要是質(zhì)子和氦核，沿著太陽的磁力線運(yùn)動(dòng)。但是太陽如何使太陽風(fēng)加速是另一個(gè)巨大的謎團(tuán)。幸運(yùn)的是，NASA 的帕克太陽探測(cè)器和太陽進(jìn)行了有史以來最親密的接觸，并開始回答這些和其他許多問題。其中第一批結(jié)果剛剛發(fā)表在《自然》期刊上(共四篇論文)。

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　　最初探索太陽奧秘的想法可以追溯到 20 世紀(jì) 50 年代，但太陽附近的惡劣環(huán)境對(duì)當(dāng)時(shí)的航天器技術(shù)來說太有挑戰(zhàn)了。2018 年，帕克太陽探測(cè)器發(fā)射升空。它目前處于橢圓軌道上，每 5 個(gè)月接近太陽一次。未來幾年，它將利用金星的引力越來越靠近太陽。在 2024 年最接近太陽的時(shí)候，它距離太陽將僅有 600 多萬千米。盡管這個(gè)數(shù)字聽起來仍然相當(dāng)大，但已經(jīng)比任何航天器離太陽都近得多。

　　在今年 9 月 1 日完成最近一次近距離接觸后，探測(cè)器目前已經(jīng)完成了三次任務(wù)。在每一次任務(wù)中，探測(cè)器都在離太陽表面約 2400 萬千米的距離飛行。探測(cè)器上的設(shè)備可以直接測(cè)量太陽風(fēng)等離子體和探測(cè)器周圍的電磁場(chǎng)。探測(cè)器還會(huì)測(cè)量高能粒子，探測(cè)器上甚至還配備了成像儀器，可以拍攝日冕的照片。到目前為止，探測(cè)器和太陽的近距離接觸揭示了大量新的物理現(xiàn)象。

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　　帕克太陽探測(cè)器的主要目標(biāo)之一是發(fā)現(xiàn)“慢”太陽風(fēng)的來源，以及它是如何在太陽高溫的大氣中加速的。

　　來自太陽的大量粒子是兩種流的混合，一種流動(dòng)速度是另一種的兩倍。所謂的“快”太陽風(fēng)，其速度在每秒 500 到 1000 千米之間。研究人員已經(jīng)知道，它們來自太陽南北兩極的大日冕洞。日冕洞與太陽黑子有關(guān)，是比周圍日冕溫度低、密度小的區(qū)域。但人們對(duì)“慢”太陽風(fēng)的來源知之甚少，這種太陽風(fēng)密度更大，但速度只有“快”太陽風(fēng)的一半左右。

　　現(xiàn)在，帕克的數(shù)據(jù)表明，緩慢的太陽風(fēng)是從太陽赤道附近的小日冕洞流出的。在每一次近距離接觸中，探測(cè)器都會(huì)在一個(gè)日冕洞上方停留長(zhǎng)達(dá)一周的時(shí)間，太陽風(fēng)粒子從這個(gè)日冕洞中沿著磁力線涌出，流過探測(cè)器，探測(cè)器上的設(shè)備可以直接觀察到太陽表面的情況。

　　解開謎團(tuán)的同時(shí)，帕克也提出了許多新的問題。它的首批觀測(cè)結(jié)果表明，風(fēng)速和磁場(chǎng)的變化比近地觀測(cè)到的變化大得多。例如，磁場(chǎng)傳感器探測(cè)到了磁場(chǎng)方向的大幅度翻轉(zhuǎn)。

　　我們不知道這些翻轉(zhuǎn)到底是什么。但測(cè)量結(jié)果表明，它們與太陽風(fēng)流出的速度增加是一致的。這種情況是通過短暫而強(qiáng)烈的“噴流”發(fā)生的，也就是太陽風(fēng)的流速在幾分鐘內(nèi)增加。每一次等離子體波都伴隨著周圍磁場(chǎng)的突然翻轉(zhuǎn)。科學(xué)家認(rèn)為，他們看到的可能是磁場(chǎng)中的S形波紋，就好像太陽表面附近的什么東西抓住了磁力線，像鞭子一樣折斷了它。

　　探測(cè)器上的儀器還探測(cè)到許多較小的電磁場(chǎng)波動(dòng)。我們從先前的測(cè)量中已經(jīng)知道它們的存在，但是它們?cè)谔柛浇膹?qiáng)度確實(shí)令人驚訝。這表明它們實(shí)際上可能在加熱日冕，以及加速太陽風(fēng)方面起著重要的作用。

　　另一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)是在太陽耀斑(日冕中紫外線的明亮爆發(fā))之后。探測(cè)器測(cè)量了在日冕活躍區(qū)中被加速的粒子。這些粒子到達(dá)的時(shí)間表明，它們和太陽之間的距離比預(yù)測(cè)的要長(zhǎng)。由于高能粒子沿著太陽磁力線運(yùn)動(dòng)，這一較長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間表明，太陽和探測(cè)器之間的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)比以前想象的要復(fù)雜。

　　成像儀器還看到太陽附近日冕物質(zhì)拋射的特征。這些是來自日冕的物質(zhì)大爆發(fā)。研究這些爆發(fā)對(duì)我們的社會(huì)非常重要。如果大型日冕物質(zhì)拋射撞擊地球，會(huì)造成很多干擾，例如斷電、GPS 信號(hào)丟失、無線電通信中斷以及對(duì)航空旅行者和宇航員的傷害。

　　另一個(gè)令人驚訝的是，在每一次探測(cè)器飛過近日點(diǎn)的時(shí)候，有大量塵埃顆粒不斷向探測(cè)器襲來。這些塵埃顆粒可能小于一微米，很可能是小行星或彗星的碎片，它們?cè)谔柛浇刍粝铝吮焕г谶@里的塵埃。這些塵埃現(xiàn)在正圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，科學(xué)家懷疑撞擊探測(cè)器的大部分塵埃正受到光壓向外噴射，并注定要完全逃離太陽系。

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　　即使取得第一批結(jié)果之后，仍有許多問題懸而未決。帕克帶來的大量信息肯定會(huì)讓研究人員在未來的幾年里忙得不可開交。然而，接近太陽已經(jīng)被證明是絕對(duì)值得的。在未來的幾年里，太空飛行器技術(shù)將更進(jìn)一步，先進(jìn)的儀器將使許多新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)成為可能。或許這些測(cè)量結(jié)果很快將幫助我們改寫教科書，并解開太陽最大的謎團(tuán)——為什么太陽日冕如此熾熱，以及太陽風(fēng)是如何加速的。
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