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在距离太阳最近的地方,它推翻了存在半个世纪的理论

发布时间:2019-12-10 17:56:33 来源:粤港澳生活网综合 责任编辑:李雨晴

  撰文 | 张华5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  2018年8月,帕克太阳探测器(Parker Solar Probe)从美国佛罗里达州的肯尼迪航天中心升空,踏上史无前例的逐日旅程。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  2018年9月,在金星引力的拖曳下,帕克太阳探测器进入一个以太阳为焦点、偏心率很大的椭圆轨道,目前其轨道周期147天,近日点距离太阳35.7倍太阳半径。帕克太阳探测器已经穿越太阳的外层大气,成为首个进入日冕层的飞行器。通过对日冕层粒子的收集、监测,帕克太阳探测器将为我们揭开太阳的诸多谜团。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  帕克太阳探测器的运动轨迹5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  最新一期《自然》杂志,通过4篇论文公布了帕克太阳探测器的首批科学结果。这些研究为理解太阳的结构与运动,提供了全新的视角。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  帕克太阳探测卫星5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  虽然人类一直生活在太阳系中,太阳也为我们提供了大部分能量来源,但其实我们对太阳的了解并不多。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  在此之前,已经有一些卫星在帮助人类认识太阳,包括太阳日球层观测站(SOHO)、太阳动力学观测站(SDO)等。但这些卫星都没有像帕克太阳探测器那样距离太阳如此之近。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  帕克太阳探测器是以美国芝加哥大学的物理学家尤金・帕克(Eugene Parker)的名字命名的。帕克1927年出生于美国密歇根州,是太阳风理论的提出者,这颗探测器也是全世界唯一一颗以在世的科学家名字命名的科学卫星。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  帕克太阳探测器携带了多种探测仪器,可以探测到它遇到的等离子体(主体是质子、电子和部分电离的离子以及少许其他原子核)、磁场和高能粒子,并对太阳日冕、太阳风和探测器周围的激波进行三维成像。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  自帕克太阳探测器成功发射以来,科学家期望来自这颗探测器的数据能帮助他们解决一系列有关太阳色球层、日冕和太阳风的问题。这些问题包括为什么日冕的温度那么高、太阳风的能量机制和加速机制是什么、太阳表面针状结构(spicules)的成因和作用、磁场的作用是什么等等。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  帕克与太阳风5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  其中,由帕克本人在1958年提出的太阳风,就隐藏着大量未解之谜。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  帕克在前人物理模型的基础上,通过对背离太阳的彗尾方向的观测,构建了一个稳态球对称等温流体力学模型。在这个模型中,帕克大胆提出了太阳风理论。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  在当时,太阳风是一种合理的设想,因为从地球上可以看到,地球两极有极光,而极光可能是来自太阳的带电粒子进入地球两极的强磁场区域后产生的。此外,当慧星在太空穿梭时,无论其运动方向如何,彗尾总是指向离开太阳的方向。这些迹象表明,彗星的尾巴,可能是被从太阳刮过来的电磁风暴吹弯了。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  清华大学物理系和天体物理中心的楼宇庆教授告诉《环球科学》:“1958年,帕克用磁性等离子体与流体力学的理论对太阳风进行了理论推导。他把计算结果写成论文,发表在了当时由钱德拉塞卡担任主编的《天体物理学杂志》上。但当时学界有很多人并不认可这种猜测,所以关于太阳风的存在性一开始有很多的争论。最后,只能通过发射卫星到天上去观测,才能平息争论。”5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  在帕克的理论模型里,太阳外层的日冕温度极高,达到百万度的数量级。这样的高温会产生完全电离的等离子体。因为温度太高,这些离子的动能很大,大到可以冲破太阳的引力束缚飞向地球。而且,帕克用详细的理论推导表明,从日冕中释放出来的离子最后会突破音速临界点被加速至超音速。对于这种从太阳向外释放的离子流,帕克称之为“太阳风”。帕克还预言,太阳风的速度超过了音速。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  今天科学家已经知道,帕克的热驱动风模型尚不能解释持续不断的高速太阳风。人们普遍认为磁场对于产生持续高速的太阳风有着特殊重要作用。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  太阳风的运动路径是有方向的,在每一个点,太阳风的方向可以分解为径向与切向。太阳风主要的速度分量是径向的,也就是从太阳出发朝外吹。但是,太阳风的切向分量也不能忽视,切向速度分量的大小可以反应出太阳的磁场与自转等因素的影响。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  在此次发表的4篇论文中,有一篇就对太阳风的速度进行了前所未有的细致分析,并发现其切向速度很大,从而推翻了存在了半个世纪的经典模型。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  日冕层的观测结果5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  要精确求解太阳风的运动规律,需要结合太阳的引力场与磁场,并利用流体力学与等离子体物理的大量知识。此外,太阳风还受到太阳旋转的影响。这些因素使得对太阳风的理论研究一直十分困难。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  在这篇最新论文中,帕克太阳探测器在日冕层中,取得了重要的发现。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  太阳风中的音速大约是每秒100~200千米。但帕克太阳探测器测出的太阳风的径向速度是每秒300~1000千米,超过了音速,这再一次验证了帕克在60年前的猜想。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  帕克太阳探测器穿越太阳风5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  更重要的是,在这篇论文中,帕克太阳探测器第一次对太阳风中的切向旋转速度进行了现场观测。观测结果显示,帕克太阳探测器在距离太阳36倍太阳半径的地方,测出了每秒大约30~50千米的切向速度(即太阳风围绕太阳旋转的速度)。而根据此前的模型,这里的切向速度应该只有每秒几千米。如此巨大的差异,是怎么回事?5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  此前预测太阳切向速度的经典模型是于1967年提出的韦伯-戴维斯太阳风模型,其中戴维斯是帕克的博士生导师。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  楼宇庆告诉《环球科学》,这个模型的主要思想是:在靠近太阳的地方,磁场比较强,所以磁力线会带着等离子体一起旋转,两者的角速度近似相等。(例如,由于太阳的旋转速度是每秒2千米,因此1倍太阳半径处的切向速度也是每秒2千米。)而随着半径增加,等离子体离太阳越来越远,磁场的强度减小,磁力线不能继续带着等离子体快速旋转,这时太阳风切向运动的角速度就会减小。因此,切向速度(角速度与半径的乘积)并不会无止境地增加。在距离太阳36倍太阳半径的地方,其理论切向流动速度应该只有每秒几千米。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  而帕克太阳探测器观测到的切向速度峰值可达每秒30~50千米,明显大于理论预言。所以,目前的观测结论挑战了日冕绕太阳环流的模型(韦伯-戴维斯模型),构成了一个未解之谜。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  对此,一种可能的解释是,另外一种复杂的物理机制将太阳的角动量传递给了太阳风。但具体机制,仍需进一步的研究。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  因为帕克太阳探测器的探测范围只是一个小点,它提供的也只是一个小空间区域内的太阳风速度信息。所以目前,我们只能说它看到了太阳风的速度有一个“突发尖刺”。对于太阳风运动的全貌,人们还不够了解。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  除了上述论文,本周发表于《自然》的其他3篇相关论文,也发现了关于太阳的全新物理现象。一篇论文重点报告了慢太阳风(速度低于每秒500千米)的起源。最新研究指出,慢太阳风起源于太阳赤道附近的日冕空洞。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  而另外两篇论文,分别报告了太阳附近的高能粒子流的观测数据,以及日冕层的电子与尘埃对光谱的散射影响。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  这一系列研究,展示了帕克太阳探测器的阶段性成果。在接下来的5年间,帕克太阳探测器的运行轨道仍将不断缩短、与太阳距离更近。最后,它的轨道周期会变成88天,距离太阳表面最近为9倍太阳半径。我们希望,帕克太阳探测器以及未来更多的太阳探测项目,能为我们彻底揭开太阳风的秘密。5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  原始论文:5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  Alfvénic velocity spikes and rotational flows in the near-Sun solar wind5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  https://www.nature.com/articles/s41586-019-1813-z5Cp粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

责任编辑: 李雨晴

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