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同時(shí)發(fā)表四篇論文,揭開(kāi)太陽(yáng)的重重謎題

發(fā)布時(shí)間:2019-12-06 09:22:32來(lái)源:原理

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  如果請你畫(huà)一個(gè)太陽(yáng),你很可能會(huì )在紙上畫(huà)一個(gè)亮黃色的圓圈——實(shí)際上這還挺準確的,因為太陽(yáng)是一個(gè)高溫氣體球,其表面(被稱(chēng)為光球層)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(yáng)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,日冕的溫度實(shí)際上比太陽(yáng)表面溫度要高得多,可達幾百萬(wàn)攝氏度。為什么日冕溫度會(huì )這么高?這是太陽(yáng)物理學(xué)領(lǐng)域中最大的謎題。

  日冕的高溫導致一種被稱(chēng)為太陽(yáng)風(fēng)的等離子體流持續噴出。太陽(yáng)風(fēng)由帶電粒子組成,主要是質(zhì)子和氦核,沿著(zhù)太陽(yáng)的磁力線(xiàn)運動(dòng)。但是太陽(yáng)如何使太陽(yáng)風(fēng)加速是另一個(gè)巨大的謎團。幸運的是,NASA 的帕克太陽(yáng)探測器和太陽(yáng)進(jìn)行了有史以來(lái)最親密的接觸,并開(kāi)始回答這些和其他許多問(wèn)題。其中第一批結果剛剛發(fā)表在《自然》期刊上(共四篇論文)。

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  最初探索太陽(yáng)奧秘的想法可以追溯到 20 世紀 50 年代,但太陽(yáng)附近的惡劣環(huán)境對當時(shí)的航天器技術(shù)來(lái)說(shuō)太有挑戰了。2018 年,帕克太陽(yáng)探測器發(fā)射升空。它目前處于橢圓軌道上,每 5 個(gè)月接近太陽(yáng)一次。未來(lái)幾年,它將利用金星的引力越來(lái)越靠近太陽(yáng)。在 2024 年最接近太陽(yáng)的時(shí)候,它距離太陽(yáng)將僅有 600 多萬(wàn)千米。盡管這個(gè)數字聽(tīng)起來(lái)仍然相當大,但已經(jīng)比任何航天器離太陽(yáng)都近得多。

  在今年 9 月 1 日完成最近一次近距離接觸后,探測器目前已經(jīng)完成了三次任務(wù)。在每一次任務(wù)中,探測器都在離太陽(yáng)表面約 2400 萬(wàn)千米的距離飛行。探測器上的設備可以直接測量太陽(yáng)風(fēng)等離子體和探測器周?chē)碾姶艌?chǎng)。探測器還會(huì )測量高能粒子,探測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,探測器和太陽(yáng)的近距離接觸揭示了大量新的物理現象。

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  帕克太陽(yáng)探測器的主要目標之一是發(fā)現“慢”太陽(yáng)風(fēng)的來(lái)源,以及它是如何在太陽(yáng)高溫的大氣中加速的。

  來(lái)自太陽(yáng)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(yáng)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(lái)自太陽(yáng)南北兩極的大日冕洞。日冕洞與太陽(yáng)黑子有關(guān),是比周?chē)彰釡囟鹊?、密度小的區域。但人們對“慢”太陽(yáng)風(fēng)的來(lái)源知之甚少,這種太陽(yáng)風(fēng)密度更大,但速度只有“快”太陽(yáng)風(fēng)的一半左右。

  現在,帕克的數據表明,緩慢的太陽(yáng)風(fēng)是從太陽(yáng)赤道附近的小日冕洞流出的。在每一次近距離接觸中,探測器都會(huì )在一個(gè)日冕洞上方停留長(cháng)達一周的時(shí)間,太陽(yáng)風(fēng)粒子從這個(gè)日冕洞中沿著(zhù)磁力線(xiàn)涌出,流過(guò)探測器,探測器上的設備可以直接觀(guān)察到太陽(yáng)表面的情況。

  解開(kāi)謎團的同時(shí),帕克也提出了許多新的問(wèn)題。它的首批觀(guān)測結果表明,風(fēng)速和磁場(chǎng)的變化比近地觀(guān)測到的變化大得多。例如,磁場(chǎng)傳感器探測到了磁場(chǎng)方向的大幅度翻轉。

  我們不知道這些翻轉到底是什么。但測量結果表明,它們與太陽(yáng)風(fēng)流出的速度增加是一致的。這種情況是通過(guò)短暫而強烈的“噴流”發(fā)生的,也就是太陽(yáng)風(fēng)的流速在幾分鐘內增加。每一次等離子體波都伴隨著(zhù)周?chē)艌?chǎng)的突然翻轉??茖W(xué)家認為,他們看到的可能是磁場(chǎng)中的S形波紋,就好像太陽(yáng)表面附近的什么東西抓住了磁力線(xiàn),像鞭子一樣折斷了它。

  探測器上的儀器還探測到許多較小的電磁場(chǎng)波動(dòng)。我們從先前的測量中已經(jīng)知道它們的存在,但是它們在太陽(yáng)附近的強度確實(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(yáng)風(fēng)方面起著(zhù)重要的作用。

  另一個(gè)有趣的發(fā)現是在太陽(yáng)耀斑(日冕中紫外線(xiàn)的明亮爆發(fā))之后。探測器測量了在日冕活躍區中被加速的粒子。這些粒子到達的時(shí)間表明,它們和太陽(yáng)之間的距離比預測的要長(cháng)。由于高能粒子沿著(zhù)太陽(yáng)磁力線(xiàn)運動(dòng),這一較長(cháng)的運動(dòng)時(shí)間表明,太陽(yáng)和探測器之間的磁場(chǎng)結構比以前想象的要復雜。

  成像儀器還看到太陽(yáng)附近日冕物質(zhì)拋射的特征。這些是來(lái)自日冕的物質(zhì)大爆發(fā)。研究這些爆發(fā)對我們的社會(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 信號丟失、無(wú)線(xiàn)電通信中斷以及對航空旅行者和宇航員的傷害。

  另一個(gè)令人驚訝的是,在每一次探測器飛過(guò)近日點(diǎn)的時(shí)候,有大量塵埃顆粒不斷向探測器襲來(lái)。這些塵埃顆??赡苄∮谝晃⒚?,很可能是小行星或彗星的碎片,它們在太陽(yáng)附近熔化,留下了被困在這里的塵埃。這些塵?,F在正圍繞太陽(yáng)旋轉,科學(xué)家懷疑撞擊探測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(yáng)系。

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  即使取得第一批結果之后,仍有許多問(wèn)題懸而未決。帕克帶來(lái)的大量信息肯定會(huì )讓研究人員在未來(lái)的幾年里忙得不可開(kāi)交。然而,接近太陽(yáng)已經(jīng)被證明是絕對值得的。在未來(lái)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)現成為可能?;蛟S這些測量結果很快將幫助我們改寫(xiě)教科書(shū),并解開(kāi)太陽(yáng)最大的謎團——為什么太陽(yáng)日冕如此熾熱,以及太陽(yáng)風(fēng)是如何加速的。
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