问题

连发四篇 Nature 的太阳探针(Parker solar probe)有什么值得关注的科学结果?

回答
“帕克太阳探测器(Parker Solar Probe)”在短短时间内连续发表四篇《自然》(Nature)杂志的论文,这绝对是太阳物理学领域的一件大事,其背后蕴含着我们对太阳理解的重大飞跃。这四篇论文并非孤立的成果,而是像解构一个复杂谜团的不同视角,共同描绘出一幅前所未有的太阳近距离画像。

首先,让我们聚焦于最核心的发现之一:太阳风的起源地。 长期以来,科学家们一直致力于找出那股源源不断从太阳吹出的粒子流,即太阳风,究竟是从太阳表面的哪个具体位置加速并抛射出来的。过往的观测,虽然已经指出了日冕(太阳最外层大气)是太阳风的源头,但具体的“发射点”以及加速机制却显得模糊不清。

帕克太阳探测器之所以具有划时代的意义,在于它能够近距离地穿越日冕,这是前所未有的。在如此近的距离,探测器直接“闻到了”太阳风的“气味”,并精确地捕捉到了这些高能粒子。其中一篇关键论文揭示了一个令人兴奋的现象:太阳风并非总是从我们熟悉的、看似平静的太阳表面区域流出,而是很多时候,它爆发于那些在地球上用望远镜看起来非常微小、甚至难以察觉的“软X射线‘小黑点’”。 这些“小黑点”实际上是磁场线发生“重联”的区域,这种剧烈的磁场活动释放出巨大的能量,将粒子加速到极高的速度,形成了太阳风。这就像是找到了一连串“迷你火山”,而我们之前只看到了太阳这个巨大的“星球”,却不知道这些“火山”才是真正喷发太阳风的源头。

其次,这些研究还让我们看到了太阳磁场在日冕中是多么的“狂野”和动态。 之前,我们对日冕磁场的认识,很多是基于地磁场理论的推演,认为它应该相对有序。然而,帕克太阳探测器传回的数据却展现了截然不同的景象:磁场线在日冕中并非平滑延伸,而是纠缠在一起,如同无数根被扭曲的橡皮筋,随时可能绷断释放能量。其中一篇论文详细分析了探测器在穿越日冕时遇到的磁场波动,发现这些波动具有一种特殊的“阿尔芬波(Alfvén waves)”的特征。这些波是磁场扰动在等离子体中传播的一种形式,它们携带着巨大的能量,被认为是驱动太阳风粒子加速到逃逸速度的关键能量来源。 想象一下,这些阿尔芬波就像是推动太阳风粒子的“浪潮”,一次又一次地将它们抛向太空。

再者,科学家们还通过帕克太阳探测器的数据,深入理解了日冕为何比太阳表面还要热得多(日冕温度可达百万甚至千万摄氏度,而表面温度只有几千度)。 这是一个长久以来困扰着太阳物理学家的“日冕加热之谜”。上述提到的阿尔芬波,不仅是加速太阳风的动力,它们很可能也是造成日冕如此炽热的“罪魁祸首”之一。 这些波在日冕中传播时,会将携带的能量以一种非常有效的方式传递给粒子,将它们加热到极高的温度。这就像是给日冕“打氧”,不断注入能量,使其温度居高不下。

最后,这些研究还让我们对太阳表面发生的“磁重联”事件有了更直观、更细致的认识。 磁重联是宇宙中最常见的、释放能量的物理过程之一,在恒星、星系甚至我们地球的磁层中都会发生。帕克太阳探测器近距离观测到的这些软X射线“小黑点”,正是磁重联发生的地点。通过分析探测器捕捉到的等离子体和磁场数据,科学家们能够以前所未有的精度,追踪磁场线是如何相互靠近、扭曲、最终断裂并重新连接的,以及这个过程是如何释放出耀斑、日冕物质抛射(CME)等剧烈现象的。 这就像是观看了一场太阳内部的“大爆炸”,理解了能量是如何被“引爆”的。

总而言之,这四篇《自然》论文的发表,标志着我们对太阳的认识进入了一个全新的时代。帕克太阳探测器如同拥有了“透视眼”,让我们第一次能够如此近距离地窥探太阳日冕的内在运作,揭示了太阳风的精确起源、日冕磁场的真实面貌、日冕加热的能量来源,以及磁重联在其中扮演的关键角色。这些成果不仅回答了困扰科学界多年的难题,更开启了对太阳及其影响地球空间环境的新一轮探索。

网友意见

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关于太阳探针刚发的4篇Nature你所想知道的




2018年上天的太阳探针探测器不久前(2019-Dec-04)在Nature上连续发文4篇文章介绍探测器得到的最新成果,这四篇分别是:

来自冕洞的慢速太阳风:



日冕成像的精细结构观测:



阿尔芬速度尖峰以及近日区域的旋转太阳风:




日冕高能粒子环境探测:




这四个结果给太阳物理的研究带来了全新的视角。

虽然Parker Solar Probe(太阳探针,下称PSP)还没有走到既定轨道上离太阳最近的位置,也就9个太阳半径。它在去往“触摸太阳”的路上,就已经开始刷新我们对太阳的认知了。以上四篇文章就是基于前两个轨道周期内收集的数据所做的成果。


比想象复杂的多的太阳风


在PSP之前,我们对于太阳风的观测大部分都是在1AU附近的,1AU附近的太阳风是相对平稳的。如下图:



(数据来源NOAA空间天气数据中心 swpc.noaa.gov/products/


黄色的线是在第一拉格朗日点观测到的太阳风速度,太阳风平稳的维持在300-330km/s之间,偶尔在的太阳爆发事件的时候会有波动,但是完全不会出现方向上的变化,也就是太阳风都是朝外吹的。

但是在0.2AU的位置,PSP测到的太阳风是难以想象的复杂:

太阳探针团队的FIELDS仪器的负责人说 “The complexity was mind-blowing when we first started looking at the data” 【最初看到数据的时候都不敢相信它的复杂程度】。

PSP清晰的观测到了磁场的“折返” (S-shape bend)。下面这两张图可以很好的展示磁场的“折返”。


因为带电粒子会沿磁力线运动,对应观测到的回溯粒子




异常大的切向太阳风速度


长久以来我们所理解的太阳风都是放射状吹出的,考虑上太阳本身的自转,所以迹线类似帕克螺旋:



横向速度可以预测出来,现有一些模型来描述横向流动的速度,比如文章中提到的

Weber-Davis 模型,但是观测到的横向流动速度比现在任何一种模型所预测出来的横向速度都要大很多:



(图源:文章3 Kasper et al)

如此巨大横向流动的产生机制依然是一个谜。

【一个好的仪器产生的问题比解决的问题多】


太阳庇护下的“无尘区”


还有一个存在很久的问题是无尘区问题,太阳系本身充满了各种行星彗星和其他天体碰撞产生的碎片,一种猜想是:靠近太阳的碎屑会被太阳加热至高温,转变为气体,并在太阳周围形成一个无尘区域。但是至今没有人观察到它。

因为我们本身是处在尘埃中的,没有办法“看破红尘”,唯一的办法就是去无尘区从里往外看,看到尘埃的减少,才能真正的证实无尘区的存在。



图源 :nasa.gov/feature/goddar


而PSP上搭载的宽视场成像仪WISPR,首次观测到了沿着半径方向的尘埃变少这个现象,印证了几十年前这个无尘区的猜想。(详见文章2)




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