NASA的太阳探测器传回了最新研究数据

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有些事有些人，注定是一辈子都忘不掉的。

2018年8月发射的美国宇航局帕克太阳探测器很快将成为有史以来距离太阳最近的航天器利用先进的科学仪器来测量太阳周围的环境帕克太阳探测器已经完成了24次计划穿越太阳大气中从未被探索过的部分日冕的三次穿越2019年12月4日《自然》杂志上的四篇新论文描述了科学家们从这一前所未有的探索过程中学到了什么以及他们接下来想要了解什么

这些发现揭示了远离太阳的物质和粒子行为的新信息使科学家们更接近于回答关于我们恒星的物理学基本问题帕克探测到的太阳不断地放出的物质和能量将帮助科学家重写我们使用的模型来理解和预测地球周围的太空和理解恒星创建与发展的过程

来自帕克的第一批数据以令人惊讶的方式揭示了我们的恒星太阳位于华盛顿的NASA总部科学副主管托马斯祖布臣Thomas Zurbuchen说通过近距离观测太阳我们对重要的太阳现象及其对地球的影响有了前所未有的了解也为我们了解星系中活跃的恒星提供了新的视角对太阳物理学来说这是一个激动人心的时代的开始帕克是新发现的先锋

虽然在我们地球上看起来很平静但太阳绝不是安静的大量的粒子以接近光速的速度移动以及数十亿吨的磁化物质云所有这些活动都影响着我们的星球扰乱通信和导航信号甚至在严重时引发断电在太阳整个50亿年的生命周期中这些一直在发生并将继续在未来塑造地球和太阳系其他行星的命运

太阳上发生的一切对于理解它如何塑造我们周围的空间至关重要大部分逃离太阳的物质是太阳风的一部分太阳风是一种持续流出的太阳能物质它覆盖了整个太阳系这种被称为等离子体的电离气体携带着太阳磁场在太阳系中形成一个巨大的气泡其直径超过100亿英里

动态太阳风

在地球附近观测到的太阳风是相对均匀的等离子体流偶尔会出现湍流但到那个时候它已经飞行了9000万英里太阳加热和加速太阳风的确切机制的特征被抹掉了靠近太阳风的源头帕克太阳能探测器看到了一个非常不同的画面一个复杂的活跃的系统

当我们第一次看到这些数据时它的复杂程度让人震惊加州大学伯克利分校的斯图尔特贝尔Stuart Bale说现在我已经习惯了但当我第一次向同事们展示时他们都惊呆了贝尔解释说从帕克位于距离太阳1500万英里处的有利位置看太阳风比我们在地球附近看到的要强烈得多也不稳定的多

就像太阳本身一样太阳风是由等离子体组成的带负电荷的电子与带正电荷的离子分离形成了一个带有单个电荷的自由漂浮粒子的海洋这些自由漂浮的粒子意味着等离子体携带电场和磁场而等离子体的变化常常在这些磁场上留下痕迹通过测量和仔细分析航天器周围的电场和磁场随时间的变化以及测量附近等离子体的波磁场测量仪器测量了太阳风的状态

这些测量显示了磁场的快速逆转和突然的快速移动的物质喷流所有这些特征使得太阳风更加湍流这些细节是理解风如何从太阳和整个太阳系中扩散能量的关键

有一种现象特别引起了科学团队的注意磁场从太阳中流出并嵌在太阳风中磁场的方向发生翻转这些倒转称为转换在帕克太阳探测器上持续几秒到几分钟在一次转换过程中磁场会突然回到自身直到它几乎直接指向太阳由密歇根大学领导史密森尼天文物理天文台管理的太阳风仪器套件FIELDS和SWEAP一起测量了帕克太阳探测器前两次近地飞行期间的转换簇

在许多从太阳源源不断地流出的粒子中有一束快速移动的电子它们沿着太阳的磁场线进入太阳系这些电子总是严格地沿着从太阳移出的磁场线的形状流动不管那个特定区域的磁场北极是指向太阳还是远离太阳但帕克太阳能电子探针测量了这个流相反的方向抛向太阳表明磁场本身必须弯曲回到太阳而不是帕克太阳探测器仅仅遇到不同的磁场线从太阳相反的观点这表明这种转换是磁场中的扭结从太阳向外传播的局部扰动而不是从太阳向外传播时磁场的变化

帕克太阳探测器的观测结果表明当宇宙飞船靠近太阳时这些现象会变得更加普遍2020年1月29日该任务的下一次太阳相遇将使飞船比以往任何时候都更接近太阳并可能为这一过程带来新的曙光这些信息不仅有助于改变我们对太阳风和太空天气成因的理解还有助于我们理解恒星如何工作的基本过程以及它们如何向环境释放能量

旋转太阳风

帕克太阳探测器的一些测量结果使科学家们更接近几十年前的问题的答案其中一个问题就是太阳风究竟是如何从太阳中流出的

在地球附近我们看到太阳风几乎是呈放射状流动的这意味着太阳风直接从太阳吹来向四面八方直吹但是太阳在释放太阳风的同时也在自转在它挣脱出来之前太阳风和它一起旋转这有点像孩子们骑在游乐场的旋转木马上大气随着太阳旋转就像旋转木马的外部部分旋转一样但你离中心越远你在空间中的移动速度就越快处于边缘的孩子可能会跳下去在那一点上会向外沿直线运动而不是继续旋转同样地在太阳和地球之间有一个点太阳风从随着太阳旋转转变为直接向外流动或者像我们从地球上看到的那样以径向流动

确切地说太阳风从旋转气流转变为完美的径向气流的地方对太阳如何散发能量有影响找到这一点可能有助于我们更好地理解其他恒星的生命周期或原行星盘的形成即年轻恒星周围由气体和尘埃组成的致密盘它们最终会合并成行星

现在帕克太阳能探测器第一次能够在太阳风还在旋转时观测到太阳风而不是我们在地球附近看到的那种直流电这就好像帕克太阳能探测器第一次直接看到旋转的旋转木马而不只是孩子们从上面跳下来帕克太阳能探测器的太阳风仪器探测到太阳旋转的起点距离太阳超过2000万英里当帕克接近近日点时旋转的速度加快了环流的强度比许多科学家预测的要强但它向外流动的速度也比预测的要快这有助于掩盖我们通常所处的位置离太阳约9300万英里的影响

太阳附近的尘埃

另一个接近答案的问题是难以捉摸的无尘区我们的太阳系充满了尘埃数十亿年前形成行星小行星彗星和其他天体的碰撞产生的宇宙碎屑长期以来科学家们一直怀疑在靠近太阳的地方这些尘埃会被强烈的阳光加热到高温变成气体在太阳周围形成无尘区但从来没有人观察过它

帕克太阳探测器的成像仪第一次看到宇宙尘埃开始变薄因为海军研究实验室领导的帕克太阳探测器成像仪器WISPR可以看到航天器的侧面它可以看到大片的日冕和太阳风包括靠近太阳的区域这些图像显示在距离太阳700多万英里的地方尘埃开始变薄这种尘埃的减少持续稳定地减少到目前WISPR测量的距离太阳400多万英里的极限

帕克太阳探测器观测到的宇宙尘埃如图所示散布在我们的太阳系中在太阳附近开始变薄支持了长期以来在太阳附近建立无尘区这一理论

这个无尘区在几十年前就被预测到了但在此之前从未被发现过位于华盛顿特区的海军研究实验室的WISPR套件太阳探测器宽视野成像仪的缩写的首席研究员Russ Howard说我们现在正在观察太阳附近的尘埃发生了什么

变薄的速度科学家们希望看到一个真正的无尘区开始2 - 3多百万英里从太阳这意味着帕克太阳探测器能够观察到无尘区早在2020年当其第六次飞越太阳会把它比以往任何时候都更接近我们的明星

把太空天气放在显微镜下观察

帕克太阳探测器的测量结果为我们提供了一个关于两类太空天气事件的新视角高能粒子风暴和日冕物质抛射

太阳活动会加速微小粒子电子和离子的运动从而形成高能粒子风暴太阳上发生的事件可以将这些粒子以接近光速的速度发射到太阳系这意味着它们在半小时内到达地球并可以在同样短的时间内影响其他星球这些粒子携带了大量的能量因此它们会损坏航天器的电子设备甚至危及宇航员尤其是那些身处地球磁场保护之外的深空的宇航员而这些粒子的短预警时间让它们很难避免