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帕克太阳探测器不断靠近太阳,揭示太阳神秘面纱
查字典地理网 来源|2019-12-09 发表|教学分类:地理科普

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在这幅插图中,帕克太阳探测器正在不断接近太阳。帕克太阳探测器于2018年发射,现在比任何其他人造物体都更接近太阳。

绘图:NASA/JOHNS HOPKINS APL/STEVE GRIBBEN

数十亿年来,太阳一直将其秘密隐藏在叫做日冕的能量漩涡中。日冕由炽热的磁化等离子体组成,温度极高,偶尔极端狂暴,一直没有宇宙飞船敢于探索——直到现在。

近日,《自然》杂志发表上的四项研究报告了美国宇航局帕克太阳探测器发回的首批数据。帕克太阳探测器是一项史无前例的任务,已经成为有史以来距离太阳最近的航天器,目前已三次接近太阳,观测到日冕的相关信息。这些近距离接触已经解决了一些有关太阳的谜团,并揭示了一批意想不到的发现。

美国国家大气研究中心的Sarah Gibson说:“它完成了其它航天器从未实现过的成就。我只是迫不及待地想看看下一步会发生什么,它真的传送了很多有价值的信息。”

这样的近距离观测将解开太阳物理学的基本难题,并帮助我们更好地预测飞向地球的有害太阳风暴活动。这些危险云团被称为日冕物质抛射,由高能粒子组成,可产生闪烁的极光,甚至出现在中纬度的天空,但它们也会使通讯卫星失灵,破坏电网,给宇航员带来致命性危险。

“提到来自太空的风险,人们经常会想到导致恐龙灭绝的流星,”研究报告的作者、普林斯顿大学的David McComas说。“不过,如果你遭遇一次极端的太空天气事件,导致大量技术设备被摧毁,那么对我们来说会是一个更大的风险。”

近距离观测太阳的任务

帕克太阳探测器于2018年8月发射,并于同年11月首次飞掠太阳。在7年的飞行任务中,帕克太阳探测器将飞掠太阳24次,每一次都比之前更加接近太阳,直到最后到达距离太阳表面640万公里的地方。

帕克太阳探测器搭载着4件仪器,目前正穿越太阳的日冕,测量太阳的大气层,试图找出太阳风的起源,即太阳不断释放的高速的高能粒子云。如此近距离接近太阳至关重要,因为探测器可以采集原始的太阳风样本,而我们在地球上则很难进行研究。

“当它到达我们这里时,已经改变了,经过加工处理了。很多可能告诉我们它是如何起源的结构都被涂抹了,” Gibson谈到太阳风时说。“帕克探测器潜入太阳风刚诞生地方,在其未发生变化的地方进行观察。”

科学家们已经知道,超音速的太阳风来自日冕中寒冷的磁洞。但密度更大、速度更慢的太阳风的起源依然是个谜。太阳的高温大气层也是如此。虽然这颗恒星表面的温度相对较低,只有5500℃,但外层大气日冕的温度却超过177万℃。

“太阳必须释放出一些我们看不到的额外能量,”研究报告的作者、密歇根大学的Justin Kasper说。“实际上,太阳必须释放这些能量。因此,我们必须找到太阳在存储能量之前将其释放到太空中的机制。”

太阳大气层中的剧烈磁波

在最初的观测中,最令人震惊的或许是席卷太阳大气层的剧烈磁波,它能立即使太阳风速度增加高达每小时48万公里,在某些情况下,还会导致局部磁场的彻底翻转。

Kasper说:“太阳风速度如此之快,从我们身边飞过的这个东西如此猛烈,实际上在不到一秒的时间里就把磁场翻转了180度。我们的第一个问题是,这些到底是什么东西?”

在前两次的飞越太阳过程中,帕克太阳探测器可能遇到了上千个这样的波,这些波在当时的未知极其巨大,但到达地球时则因太小而无法探测。这种波会持续几秒到几分钟,使正常的指南针无法工作,而且没有明显的来源。

研究小组称这些特征为“折返”,一些科学家认为,如果这些波在储存能量,那么它们可能在加热日冕的过程中发挥了作用。不过,目前还不清楚是什么发射了这些“折返”,也不清楚当探测器不断靠近太阳时,这些“折返”是否会变得更强或更多。

同样令人困惑的是太阳风的横向速度。太阳每24.5个地球日绕轴自转一次,在旋转过程中,其发射的大量粒子会与它一起旋转。当太阳风到达地球时,呈放射状传播,或者像旋转的草坪洒水器喷出的水一样向外流动。

上述说法有一定道理。不过,当帕克太阳探测器低空飞越太阳南半球时,测量了太阳风的旋转速度,发现太阳风绕太阳旋转的速度比任何人所能想到的在这么远的距离都要快得多。

“太阳风的实际旋转速度要比按照标准的太阳模型和旋转速度预测的快20倍,” Kasper说。“我们忽略了关于日冕和太阳风的一些非常基本的东西。”

速度过快的风会影响恒星的演化速度,新生的恒星转速非常快,在亿万年的时间里逐渐减速,并以这类风的形式损失能量。虽然我们的太阳看起来不会比预期的燃烧速度快,但这些奇怪的快速太阳风暗示,我们的恒星可能会随着年龄的增长而更快地减慢自转速度。

更直接地是,惊人的旋转速度也可能影响科学家对日冕物质抛射的轨迹和到达时间的预测。日冕物质抛射可能会破坏地球上的电网。

“通常情况下,日冕物质抛射都是朝着我们没有预料的方向运动……如果存在大规模的横向运动,这可能是我们在预测日冕物质抛射方面做得不好的一个重要原因。嗯,我不会说我们在这方面做的很糟糕,但在这方面确实做的不够好。” Kasper说。

随着任务的继续,帕克太阳探测器无疑将揭示更多的惊喜。首先,探测器即将探测到太阳周围一个长期以来科学家一直认为存在却从未观测到的区域,那里温度极高,“没有灰尘可以存在”,研究作者、海军研究实验室的Russell Howard说。自1928年科学家预测存在无尘区以来,这片区域一直未被观测到,即使在日食期间,在地球上更容易观测到这片近日区。

随着太阳活动从11年来的最低值开始加强,科学家们预计这次任务将会更加激动人心。最终,研究小组希望帕克太阳探测器能够探测到大量日冕物质抛射。当太阳从沉睡中醒来时,日冕物质抛射事件发生的可能性会越来越大。

约翰霍普金斯应用物理实验室的项目科学家Nour Raouafi说:“我们希望太阳能够产生最强、最快的日冕物质抛射。请尽管放马过来吧。”

 

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