2018年8月發射的美國宇航局帕克太陽探測器很快將成為有史以來距離太陽最近的航天器。利用先進的科學儀器來測量太陽周圍的環境，帕克太陽探測器已經完成了24次計劃穿越太陽大氣中從未被探索過的部分——日冕的三次穿越。2019年12月4日，《自然》雜誌上的四篇新論文描述了科學家們從這一前所未有的探索過程中學到了什麼，以及他們接下來想要了解什麼。
這些發現揭示了遠離太陽的物質和粒子行為的新信息，使科學家們更接近於回答關於我們恆星的物理學基本問題。帕克探測到的太陽不斷地放出的物質和能量將幫助科學家重寫我們使用的模型來理解和預測地球周圍的太空和理解恆星創建與發展的過程。
“來自帕克的第一批數據以令人驚訝的方式揭示了我們的恆星——太陽，”位於華盛頓的NASA總部科學副主管托馬斯·祖布臣(Thomas Zurbuchen)說。“通過近距離觀測太陽，我們對重要的太陽現象及其對地球的影響有了前所未有的瞭解，也為我們瞭解星系中活躍的恆星提供了新的視角。”對太陽物理學來說，這是一個激動人心的時代的開始，帕克是新發現的先鋒。”
雖然在我們地球上看起來很平靜，但太陽絕不是安靜的。大量的粒子以接近光速的速度移動，以及數十億噸的磁化物質雲。所有這些活動都影響著我們的星球，擾亂通信和導航信號，甚至在嚴重時引發斷電。在太陽整個50億年的生命週期中，這些一直在發生，並將繼續在未來塑造地球和太陽系其他行星的命運。
太陽上發生的一切對於理解它如何塑造我們周圍的空間至關重要。大部分逃離太陽的物質是太陽風的一部分，太陽風是一種持續流出的太陽能物質，它覆蓋了整個太陽系。這種被稱為等離子體的電離氣體攜帶著太陽磁場，在太陽系中形成一個巨大的氣泡，其直徑超過100億英里。
動態太陽風
在地球附近觀測到的太陽風是相對均勻的等離子體流，偶爾會出現湍流。但到那個時候，它已經飛行了9000萬英里——太陽加熱和加速太陽風的確切機制的特徵被抹掉了。靠近太陽風的源頭，帕克太陽能探測器看到了一個非常不同的畫面：一個複雜的、活躍的系統。
“當我們第一次看到這些數據時，它的複雜程度讓人震驚，”加州大學伯克利分校的斯圖爾特·貝爾(Stuart Bale)說。“現在，我已經習慣了。但當我第一次向同事們展示時，他們都驚呆了。貝爾解釋說，從帕克位於距離太陽1500萬英里處的有利位置看，太陽風比我們在地球附近看到的要強烈得多，也不穩定的多。
就像太陽本身一樣，太陽風是由等離子體組成的，帶負電荷的電子與帶正電荷的離子分離，形成了一個帶有單個電荷的自由漂浮粒子的海洋。這些自由漂浮的粒子意味著等離子體攜帶電場和磁場，而等離子體的變化常常在這些磁場上留下痕跡。通過測量和仔細分析航天器周圍的電場和磁場隨時間的變化，以及測量附近等離子體的波，磁場測量儀器測量了太陽風的狀態。
這些測量顯示了磁場的快速逆轉和突然的、快速移動的物質噴流——所有這些特徵使得太陽風更加湍流。這些細節是理解風如何從太陽和整個太陽系中擴散能量的關鍵。
有一種現象特別引起了科學團隊的注意：磁場從太陽中流出，並嵌在太陽風中，磁場的方向發生翻轉。這些倒轉——稱為“轉換”——在帕克太陽探測器上持續幾秒到幾分鐘。在一次轉換過程中，磁場會突然回到自身，直到它幾乎直接指向太陽。由密歇根大學領導、史密森尼天文物理天文臺管理的太陽風儀器套件FIELDS和SWEAP一起測量了帕克太陽探測器前兩次近地飛行期間的轉換簇。
在許多從太陽源源不斷地流出的粒子中，有一束快速移動的電子，它們沿著太陽的磁場線進入太陽系。這些電子總是嚴格地沿著從太陽移出的磁場線的形狀流動，不管那個特定區域的磁場北極是指向太陽還是遠離太陽。但帕克太陽能電子探針測量了這個流相反的方向，拋向太陽——表明磁場本身必須彎曲回到太陽，而不是帕克太陽探測器僅僅遇到不同的磁場線從太陽相反的觀點。這表明，這種轉換是磁場中的扭結——從太陽向外傳播的局部擾動，而不是從太陽向外傳播時磁場的變化。
帕克太陽探測器的觀測結果表明，當宇宙飛船靠近太陽時，這些現象會變得更加普遍。2020年1月29日，該任務的下一次太陽相遇，將使飛船比以往任何時候都更接近太陽，並可能為這一過程帶來新的曙光。這些信息不僅有助於改變我們對太陽風和太空天氣成因的理解，還有助於我們理解恆星如何工作的基本過程以及它們如何向環境釋放能量。
旋轉太陽風
帕克太陽探測器的一些測量結果使科學家們更接近幾十年前的問題的答案。其中一個問題就是太陽風究竟是如何從太陽中流出的。
在地球附近，我們看到太陽風幾乎是呈放射狀流動的，這意味著太陽風直接從太陽吹來，向四面八方直吹。但是太陽在釋放太陽風的同時也在自轉；在它掙脫出來之前，太陽風和它一起旋轉。這有點像孩子們騎在遊樂場的旋轉木馬上——大氣隨著太陽旋轉，就像旋轉木馬的外部部分旋轉一樣，但你離中心越遠，你在空間中的移動速度就越快。處於邊緣的孩子可能會跳下去，在那一點上，會向外沿直線運動，而不是繼續旋轉。同樣地，在太陽和地球之間有一個點，太陽風從隨著太陽旋轉轉變為直接向外流動，或者像我們從地球上看到的那樣，以徑向流動。
確切地說，太陽風從旋轉氣流轉變為完美的徑向氣流的地方，對太陽如何散發能量有影響。找到這一點可能有助於我們更好地理解其他恆星的生命週期，或原行星盤的形成，即年輕恆星周圍由氣體和塵埃組成的緻密盤，它們最終會合併成行星。
現在，帕克太陽能探測器第一次能夠在太陽風還在旋轉時觀測到太陽風，而不是我們在地球附近看到的那種直流電。這就好像帕克太陽能探測器第一次直接看到旋轉的旋轉木馬，而不只是孩子們從上面跳下來。帕克太陽能探測器的太陽風儀器探測到太陽旋轉的起點距離太陽超過2000萬英里，當帕克接近近日點時，旋轉的速度加快了。環流的強度比許多科學家預測的要強，但它向外流動的速度也比預測的要快，這有助於掩蓋我們通常所處的位置(離太陽約9300萬英里)的影響。
太陽附近的塵埃
另一個接近答案的問題是難以捉摸的無塵區。我們的太陽系充滿了塵埃——數十億年前形成行星、小行星、彗星和其他天體的碰撞產生的宇宙碎屑。長期以來，科學家們一直懷疑，在靠近太陽的地方，這些塵埃會被強烈的陽光加熱到高溫，變成氣體，在太陽周圍形成無塵區。但從來沒有人觀察過它。
帕克太陽探測器的成像儀第一次看到宇宙塵埃開始變薄。因為海軍研究實驗室領導的帕克太陽探測器成像儀器——WISPR——可以看到航天器的側面，它可以看到大片的日冕和太陽風，包括靠近太陽的區域。這些圖像顯示，在距離太陽700多萬英里的地方，塵埃開始變薄，這種塵埃的減少持續穩定地減少到目前WISPR測量的距離太陽400多萬英里的極限。
帕克太陽探測器觀測到的宇宙塵埃(如圖所示)——散佈在我們的太陽系中——在太陽附近開始變薄，支持了長期以來在太陽附近建立無塵區這一理論。
“這個無塵區在幾十年前就被預測到了，但在此之前從未被發現過，”位於華盛頓特區的海軍研究實驗室的WISPR套件(太陽探測器寬視野成像儀的縮寫)的首席研究員Russ Howard說“我們現在正在觀察太陽附近的塵埃發生了什麼。”
變薄的速度，科學家們希望看到一個真正的無塵區開始2 - 3多百萬英里從太陽——這意味著帕克太陽探測器能夠觀察到無塵區早在2020年，當其第六次飛越太陽會把它比以往任何時候都更接近我們的明星。
把太空天氣放在顯微鏡下觀察
帕克太陽探測器的測量結果為我們提供了一個關於兩類太空天氣事件的新視角：高能粒子風暴和日冕物質拋射。
太陽活動會加速微小粒子(電子和離子)的運動，從而形成高能粒子風暴。太陽上發生的事件可以將這些粒子以接近光速的速度發射到太陽系，這意味著它們在半小時內到達地球，並可以在同樣短的時間內影響其他星球。這些粒子攜帶了大量的能量，因此它們會損壞航天器的電子設備，甚至危及宇航員，尤其是那些身處地球磁場保護之外的深空的宇航員——而這些粒子的短預警時間讓它們很難避免。
準確地理解這些粒子是如何被加速到如此高的速度是至關重要的。但是，即使它們在短短几分鐘內迅速飛向地球，也足以讓這些粒子失去最初加速它們的過程的特徵。帕克太陽能探測器在離太陽只有幾百萬英里遠的地方繞著太陽旋轉，它可以在這些粒子離開太陽後對它們進行測量，從而揭示它們是如何釋放的。
“令人驚奇的——甚至在太陽能最低條件，太陽產生很多微小的高能粒子比我們曾經認為的事件，”大衛·麥科馬斯說綜合科學調查的首席研究員太陽套件，或者是ʘ,普林斯頓大學在新澤西。“這些測量將幫助我們解開太陽高能粒子的來源、加速和傳輸，最終在未來更好地保護衛星和宇航員。”
帕克太陽探測器對高能粒子進行了新的觀測——就像圖中看到的那些高能粒子撞擊ESA和NASA的太陽和日光層觀測站上的探測器——這將幫助科學家更好地理解這些事件是如何加速的。
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關鍵字: 太陽能 2019未來科學大獎 加州大學伯克利
