破解太阳风之谜 | 红杉爱科学

日地关系天文台（STEREO）在2017年拍摄的图像中可以看到，火红的日冕散发着一股被称为太阳风的带电粒子流。途中还可以看到一颗彗星（圆圈）正在接近太阳。（图/Joy Ng, Bill Thompson/STEREO/NASA’s Goddard Space Flight Center）

自20世纪40年代起，研究表明，太阳的日冕（太阳大气）可以加热到极高的温度，甚至超过100万摄氏度。

1958年，物理学家尤金·帕克预测了太阳风。帕克的研究表明，这种极端温度可以产生足够强大的外向热压，从而克服引力，使太阳大气的外层逸出。

很快，到了1962年，前往金星的“水手”号数据便证实了太阳风的存在。但随着对太阳风进行的测量越来越详细，一些难以解释的谜团也随之显现。

首先，太阳风离开炙热的日冕后会继续升温，这非常难解释。其次，根据帕克的模型，仍然没有足够的能量解释那些最快的太阳风。它是如何加速到如此高的速度的？这些都意味着，在帕克的模型之外，还必须存在某种额外的能量源。

地球上进行的观测曾发现一种被称为“阿尔文波”的低频磁流体波在太阳附近摇摆。太阳和太阳风是等离子体，等离子体与气体相似，但等离子体中所有粒子都带电，会对磁场做出反应。阿尔文波就是能传递能量的星际磁场扰动。

通过测量太阳风的磁场，科学家已经发现，在太阳风磁场的某些点上，磁力线会以极高的振幅振荡，甚至会暂时逆转方向，科学家把这些现象称为“磁回转”（magnetic switchback）。

几十年来，人们一直预测阿尔文波会影响太阳风的动力学，并在太阳风的能量传输中发挥重要作用。它在太阳风离开太阳外层大气时向太阳风注入能量，或许能解释太阳风的速度和温度这两个长期存在的难题，只是一直缺乏直接证据。

而要回答这些问题，就必须在非常靠近太阳的地方测量太阳风。

2018年，美国宇航局（NASA）发射了太阳探测任务——帕克太阳探测器——旨在首次深入到太阳大气的最深处。它靠近太阳表面的距离不到600万公里，这比以往任何探测器都要更接近太阳。其使命是测量太阳风的速度、磁场、能量转移过程等，帮助科学家解开太阳风的形成与加速之谜。

此外，2020年，欧洲航天局（ESA）在NASA的支持下也启动了太阳轨道飞行器任务——环日轨道器。这颗探测器主要负责从不同的角度观测太阳，特别是太阳的极地区域。通过高精度的成像技术，太阳轨道器提供了丰富的太阳表面活动的细节图像。

帕克太阳探测器的艺术家畅想图。（图/ Parker Solar Probe/NASA）

并且，两个探测器的位置略有不同。环日轨道器在1个天文单位（地日平均距离）和0.3个天文单位（比水星更接近太阳一些）之间“冒险”。而帕克太阳探测器更近一些，它最近距离太阳只有5倍太阳直径（约700万千米），可以抵达日冕外缘阿尔文表面的位置。就这样，两颗探测器相互协作，分别从近距离和远距离同时观测太阳风，从而获得了太阳风起源和加速过程的完整视图。

帕克太阳探测器和环日轨道器任务在不同的距离上测量了从太阳流出的同一股等离子体。帕克在日冕边缘（称为阿尔文表面）附近测量到了大量磁波，而位于金星轨道的环日轨道器则观测到磁波消失，它的能量已被用于加热并加速等离子体。（图/Arya De Francesco）

2022年2月下旬，帕克探测器正穿过一片区域，位于太阳和水星之间大约五分之一的距离，这个区域恰恰是阿尔文波振荡发生磁逆转的地方。偶然地，环日轨道器在两天不到的时间里在大约金星的轨道上飞过了同一等离子体流。

也就是说，这种独特的航天器配置让它们在不同的位置恰好拦截了同样的太阳风，从而能够量化这些波的能量。

帕克测量到等离子体流，以大约每小时140万千米的速度飞驰，而环日轨道器则探测到了每小时180万千米的速度。环日轨道器位置的等离子体温度也高达20万摄氏度，是理论近似值的3倍。

在两者之间，阿尔文波已经消散，这些波的能量被转化成了其他能量形式。根据计算，这会给太阳风注入恰到好处的能量，解释了环日轨道器测量到的速度和温度的增加。

也就是说，阿尔文波能将日冕中的能量传递给太阳风，使得等离子体粒子获得额外的能量。这一过程类似于风吹帆船，阿尔文波为太阳风提供了“风力”，推动它们加速。阿尔文波不仅能加速太阳风，还能使太阳风粒子保持高速，在离开太阳后继续向外传播，直到穿越整个太阳系。

此外，在帕克太阳探测器的近距离观测中，科学家们发现了一个至关重要的现象：磁重联。磁重联是指太阳磁场线突然重新排列的过程，这一现象释放出大量的能量，足以加速等离子体粒子。帕克探测器观察到，当磁重联发生时，太阳风粒子的速度突然跃升，这可能是太阳风达到超音速的重要机制之一。磁重联不仅发生在太阳表面附近，还出现在太阳大气的更高层，这为太阳风提供了持续的加速动力。

当然，这样的发现还是存在一些争议的。一些科学家认为，研究团队可能没有考虑到太阳风的复杂性，简单来说，两个探测器或许并没有拦截到相同的等离子体流。

研究人员也承认这种测量相当困难，但他们认为研究已经进行了多重验证，比如，两个航天器拦截的流中发现完全相同数量的氦。未来，如果能继续研究阿尔文波和太阳风之间能量转移背后的详细原理，或许能进一步证实这项发现。

除了太阳，其他许多恒星都能带物质进入太空的恒星风。了解太阳风的物理原理也有助于了解其他恒星系的恒星风，从而探索系外行星的宜居性。

除了揭开太阳风的加速机制，帕克太阳探测器和环日轨道器的联合任务还提供了关于太阳活动的一系列新发现。这些发现不仅改变了我们对太阳的理解，也为预测地球空间天气提供了宝贵的信息。

探测器的数据显示，太阳风并不是均匀的，而是由不同速度和密度的等离子体流组成。靠近太阳的地方，太阳风呈现出分层结构，这与太阳磁场的复杂性有关。强磁场区域产生的太阳风速度较快，而较弱磁场区域的太阳风速度则较慢。

太阳风是引发地球磁暴和极光等空间天气现象的主要原因。探测器提供的数据帮助科学家更好地预测太阳风暴的发生时间和强度，从而为地球上的电力系统、卫星通信和宇航员提供重要的预警。

太阳风的强度与太阳活动周期密切相关。在太阳活动高峰期，太阳风的速度和强度都显著增加。帕克探测器和太阳轨道器的观测显示，太阳风的变化与太阳黑子活动的频率呈现明显的关联性。

在新发现之外，还有更多的关于太阳风的谜题等待我们解开。例如，太阳风的组成成分为何会在不同区域呈现出显著差异？太阳风的长期变化趋势如何影响地球的气候和空间环境？未来，随着探测器不断接近太阳，我们将会对太阳风的形成和加速过程有更深入的了解。这不仅将推进太阳物理学的前沿，也将为人类在太空中的生存提供重要的技术支持。