“触摸”太阳 解锁奥秘

2018年8月12日，帕克太阳探测器成功发射，计划驶入太阳大气，将成为人类第一颗对恒星大气进行直接观测的探测器。帕克太阳探测器聚焦于太阳大气两大难题：“高温日冕如何加热”和“高速太阳风如何加速”，探测结果可能会彻底改变人们对太阳的认识，破解这两个难题将有助于科学家进一步了解并预报空间天气。2019年12月4日，《自然》杂志发表了4篇系列论文，报道了该探测器四个载荷的首批科学成果。

高温日冕和高速太阳风的发现

〇 日冕 是太阳的外层大气，在日食时，日冕发出微弱的光，用肉眼可以直接看到。“冕”的名称最早由意大利天文学家卡西尼提出：1706年5月日食时，他将太阳外层大气描述为“淡光之冕”。

19世纪下半叶，借助光谱学的发展，人们对日冕有了更深的认识。

1868年，天文学家詹森和洛克耶尔在太阳边缘发现一种新的化学元素，并将这种元素命名为氦（英文名称helium，意为“太阳金属”）。在1869年日全食观测中，天文学家杨和哈克尼斯独立发现日冕中存在另一种无法辨认的谱线，随后又发现了数十条未知的日冕谱线。六十年后，物理学家格罗特里安和艾德兰基于量子力学的知识，证实了这些未知的日冕谱线实际来自于高度电离的铁、钙和镍等金属元素，而电离这些粒子需要几百万摄氏度的高温环境。这样，人们认识到日冕温度远高于太阳表面温度（五千多摄氏度）。

日冕极紫外和可见光的图像 | 图源：（见图中水印）

〇 太阳风 是从太阳大气流向行星际空间的高速粒子流。太阳风概念的萌芽源于十九世纪下半叶，人们开始推测太阳上的活动与地球上一些特别事件之间可能存在直接关联，并逐步揭示了太阳风的存在：

1859年，英国天文学家卡灵顿发现该年9月一次太阳耀斑爆发后，地球磁场发生了强烈扰动（地磁暴）以及电报线路上突然出现强电流现象。

1908年，挪威物理学家伯克兰基于多年的地球极区观测数据分析，认为地磁暴和强极光活动是从太阳传播出来的某种“代理人”的表现。

1918年，英国科学家卡普顿认为太阳会发射“气体云”，也可以说是带电粒子流到太阳外面的“真空”环境。

1951年，德国天文学家比尔曼基于彗星离子尾流的观测，提出太阳系中充满了来自太阳的带电粒子外流。

1958年，太阳物理学家帕克将高温日冕和比尔曼的“太阳带电粒子外流”想法结合，推算出高温日冕气体压力梯度会克服太阳重力影响，导致日冕等离子体向远离太阳传播，并将之命名为“太阳风”。帕克的太阳风理论模型预言了行星际空间中存在太阳风，而非完全真空。

1959年，前苏联卫星很快证实了太阳风的存在。空间卫星观测还给出了太阳风的速度分布情况，表明其速度大小分布在200千米每秒至800千米每秒之间。

太阳风速度分布 | 图源：McComas, D. J. et al., 2008, GRL, 35, L18103

太阳大气两大难题

一方面，由于日冕温度远高于太阳低层大气温度，显然日冕热量不可能来自低层大气，因此引发了对“日冕加热问题”的深入研究，但至今没有定论。

另一方面，帕克太阳风模型虽然成功预言了太阳风的产生，但预测的太阳风速度要小于观测值，且不能解释太阳风中粒子温度各向异性的观测现象。高速太阳风和粒子温度各向异性的形成机制，目前也没有定论。

“高温日冕如何加热”和“高速太阳风如何加速”成为当今太阳和空间物理领域的两大科学难题。

一般认为加热日冕和加速太阳风的能量起源于太阳大气中磁场、以及对流层中流体运动。研究人员对这些能量如何传播到日冕以及能量如何传输给日冕带电粒子的问题上存在争议，争议点可以大致归类为以下两种模型：

〇 阿尔文波/湍流模型

支持这一模型的研究人员认为两种常见的太阳现象——对流层中流体运动和太阳低层大气中磁场位形的急剧变化——所激发的磁流体波，主要是阿尔文波，可以穿越日冕，一直传输到行星际空间。大尺度阿尔文波可以转换为离子回旋波和动力学阿尔文波，将能量有效传输给粒子，从而解释日冕加热、太阳风加速和粒子温度各向异性等观测现象。此外，太阳大气中阿尔文波之间发生相互作用，形成阿尔文湍流，耗散能量，也可以自洽解释日冕加热和太阳风加速。

〇 磁重联/纳耀斑模型

太阳表面和下方区域的流体运动可以导致磁力线的剪切、扭转和浮现，形成电流片，进而触发磁重联，将一部分磁场能量转化为粒子热能和动能，导致日冕加热和太阳风加速。帕克还进一步提出纳耀斑概念，认为日冕底部会形成各种尺度的电流片，产生很多较太阳耀斑尺度小很多的耀斑，从而有效释放磁场能量。

这两类模型都有各自的观测支持证据。此外，研究人员还认为：太阳大气中存在磁声波引发的激波，可以加热日冕；在太阳大气中经常观测到的针状物对日冕加热也有贡献。

在日冕加热问题上，我国学者做出了一些具有重要影响的工作，如系统阐释动力学阿尔文波加热太阳大气机制，提出阿尔文波非线性耗散过程，发现加热日冕的超精细通道，基于针状物研究将太阳低层大气中的磁活动与日冕加热直接关联等。

“触摸”太阳大气的帕克太阳探测器

为了揭示太阳大气和磁场的结构、探索磁场能量的释放过程和能量输运机制，人类相继发射了多颗空间卫星观测太阳，如Skylab(1973年-1979年)、Yohkoh(1991年-2001年)、SOHO(1995年-至今)、TRACE(1998年-2010年)、RHESSI(2002年-2018年)、Hinode(2006年-至今)、STEREO(2006年-至今)、SDO(2010年-至今)、IRIS(2013年-至今)等。这些卫星可以通过紫外、极紫外和X射线波段“看”太阳大气，间接辨认不同日冕加热模型。但是，各种模型都有卫星观测不同层面的支持证据，争议仍然存在。

不同于以往太阳卫星只能“看”太阳，帕克太阳探测器可以“触摸”太阳，因为它将飞到距离太阳表面仅612万公里的轨道，比以往任何探测器都更接近太阳。帕克太阳探测器能够直接探测等离子体、电磁场和高能粒子信息，观察小尺度结构及其动力学过程，从而直接检验加热日冕和加速太阳风的微观物理机制。

帕克太阳探测器示意图 | 图源：http://parkersolarprobe.jhuapl.edu

此次帕克太阳探测器的首批科学发现，还只是探测器在距离太阳表面约3800万千米至2500万千米处的观测结果，便已更新了我们对内日球动力学过程的认知。

〇 “之形”磁场结构具有高发生率

磁场观测发现内日球中磁场方向经常发生反转，持续时间为几秒钟到几分钟，伴随着等离子体喷流和强电磁能量，该类磁场变化被昵称为“之形”磁场结构。“之形”磁场结构具有高发生率和大振幅，因而被认为携带了日冕加热和太阳风加速的信号。

“之形”磁场结构示意图 | 图源：Nature, doi:10.1038/s41586-019-1818-7

〇 无处不在的等离子体波和湍流

电磁场仪器观测证实了内日球中多种等离子体波的存在、以及从大尺度延伸到小尺度的湍流。探测到的等离子体波动强于地球附近波动，近日区域存在小尺度湍流的结果也有些出乎意料，这些观测佐证了等离子体不稳定性和湍流在太阳风动力学过程中起到重要作用。

〇 太阳风的旋转速度高于理论预期

太阳风电子、阿尔法粒子和质子探测仪发现：近日点太阳风的旋转速度高达35千米每秒至50千米每秒，远超过经典理论预测值（几千米每秒）。这一结果颠覆了对近日太阳风旋转速度的已有认知，也引发了对恒星如何损失角动量和随时间自旋减慢理论的重新探讨。

除以上发现外，帕克太阳探测器还直接观测到了日冕外部区域高能粒子辐射环境、以及粒子加速和传输过程，并且首次在观测上证实了宇宙尘埃变稀薄。这些结果也将推动对内日球物理过程的研究。

展望

我国计划在2022年左右发射首颗太阳探测卫星——“先进天基太阳天文台”（ASO-S），搭载全日面矢量磁场仪、硬X射线成像仪和莱曼阿尔法太阳望远镜等仪器，探索太阳磁场结构、太阳耀斑和日冕物质抛射的动力学过程、以及日冕动力学过程。

欧洲欧空局在2020年发射的“太阳轨道探测器”，搭载十个载荷，对太阳进行成像观测、以及直接探测太阳风中的等离子体、电磁场和高能粒子，科学目标涉及日冕和太阳风的动力学过程。

太阳即将迎来它有人类历史记载以来的第25个活动周期，这些探测器将与帕克太阳探测器一起，对太阳展开全方位、多角度和多尺度的联合观测，更加全面地揭示日冕和太阳风中的动力学过程，以期待彻底解决日冕加热和太阳风加速问题。

参考资料

1 太阳大气和太阳风相关资料

Wu, Dejin. Kinetic Alfvén Wave: Theory, Experiment, and Application. Science Press, 2012.

Zhao, Jinsong. et al. Nonlinear damping of Alfvén waves in the solar corona below 1.5 solar radii. ApJ (2015), 811, 88

Cranmer, S. R., and Winebarger, A. R. The properties of the solar corona and its connection to the solar wind. Annu. Rev. Astron. Astrophys. (2019), 57, 157

2 帕克太阳探测器科学任务和仪器介绍

Fox, N. J. et al. The Solar Probe Plus mission: humanity’s first visit to our star. Space Sci. Rev. (2016), 204, 7

3 帕克太阳探测器Nature文章和评述

Kasper, J. C., et al. Alfvénic velocity spikes and rotational flows in the near-Sun solar wind. Nature (2019) doi:10.1038/s41586-019-1813-z

Bale, S. D., et al. Highly structured slow solar wind emerging from an equatorial coronal hole. Nature (2019) doi:10.1038/s41586-019-1818-7

McComas, D. J., et al. Probing the energetic particle environment near the Sun. Nature (2019) doi:10.1038/s41586-019-1811-1

Howard, R. A., et al. Near-Sun observations of an F-corona decrease and K-corona fine structure. Nature (2019) doi:10.1038/s41586-019-1807-x

Verscharen, D. A step closer to the Sun’s secrets. Nature (2019), 576, 219

作者简介

赵金松：中国科学院紫金山天文台太阳和太阳系等离子体研究团组 副研究员。研究方向：太阳大气和太阳风中等离子体波和粒子动力学。

撰文：赵金松

编辑：王科超、高娜