两个太阳探测器，联合破解太阳风之谜

太阳驱动着等离子体不断向外流出，笼罩着我们的太阳系，这就是 太阳风 。在地球的保护磁层之外，最快的太阳风能以每秒500多千米的速度飞驰而过。但科学家一直没能弄清，太阳风是如何获得足够的能量达到这般速度的。

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）

近日，在《科学》上发表的一项研究中，太阳物理学家利用两个太阳航天器的数据发现了推动太阳风的新能量来源，解释了太阳风为什么比预期的热得多，速度也快得多。

太阳风的发现

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 （Eugene Parker） 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 。

阿尔文波

地球上进行的观测曾发现一种被称为 阿尔文波 的波在太阳附近摇摆。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。

两个太阳探测器

2018年和2020年，NASA和ESA分别发射了各自的太阳探测任务，也就是 帕克太阳探测器 （PSP） 和 环日轨道器 （SolO） 。这两项任务都携带了仪器，能够测量太阳附近的阿尔文波。

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。

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）

有了这两项任务，科学家不仅可以在太阳附近研究太阳风，还可以研究帕克和环日轨道器观测到的太阳风的变化情况。

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，解释环日轨道器测量到的速度和温度的增加 。

一些争议

但并不是所有人都相信谜团已经解开了。一些科学家认为， 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。