編譯  徐文慧

編輯  魏瀟

帕克太陽探測器以現(xiàn)代太陽風(fēng)和磁重聯(lián)理論的奠基人,、美國科學(xué)院院士——尤金·紐曼·帕克（Eugene Newman Parker）的名字命名,，將在發(fā)射 7 年后到達(dá)史上人類距離太陽的最近位置——距離太陽表面僅有約 600 萬千米，開展人類歷史上第一次太陽活動的源頭采樣,。

而遙遠(yuǎn)的太陽之上,，正上演著不為人知的秘密一幕：越是離開熾熱表面，大氣越是違背邏輯地持續(xù)升溫,。

從 5,000℃ 的太陽表面出發(fā),，向外 1600 公里到達(dá)色球?qū)樱瑴囟染徛仙?7000 多攝氏度,；而再往外 400 公里,，到達(dá)太陽的大氣最外層日冕（corona），溫度則會卯足了勁兒地上升,，直到百萬多攝氏度——在這里,，矛盾出現(xiàn)了：太陽的能流來自于內(nèi)部的熱核反應(yīng),，從太陽中心一直往外，溫度應(yīng)該是一路降低的,。

日冕的反常劇烈增溫之謎,，發(fā)現(xiàn)至今已 70 多年，仍然是天體物理學(xué)中極為重要且懸而未決的問題,，被稱為日冕加熱問題（coronal heating problem）,，它直接關(guān)系到我們對太陽和恒星大氣動力學(xué)過程的理解。

陰雨或是晴云,，從地球上的我們看來,，太陽似乎永遠(yuǎn)都是一個模樣，不曾改變過外觀,。若能將目光拉近,，你會發(fā)現(xiàn)，這顆我們最親近的恒星無時無刻不在進(jìn)行著戲劇化的生命演化,。它的表面動蕩不安,，強(qiáng)烈的輻射噴涌爆發(fā)，濺射到太陽系的每個角落,，成為破壞無線電通信,、傷害衛(wèi)星和宇航員、干擾電網(wǎng)的兇手,。

而在表面上方的日冕中,，等離子體充斥，氣體因溫度極高而分離成離子和自由電子流,，并向外形成太陽風(fēng)（solar wind）,，這種超音速等離子體流最終滲入整個太陽系。

了解19世紀(jì)天文學(xué)家如何在日食期間首次發(fā)現(xiàn)這一謎團(tuán)的證據(jù),，以及科學(xué)家們今天認(rèn)為可能解釋它的理論,。

視頻來源：NASA’s Goddard Space Flight Center /Joy Ng

在復(fù)雜的觀測儀器和宇宙航行之前，從地球上研究日冕的唯一方法,，就是在全日食期間觀測太陽周圍的朦朧光暈,。我們對日冕的大部分了解，都要感謝月亮在日全食期間阻擋了太陽耀眼的面龐,。

1869 年的日全食,，一條奇怪的綠色譜線引發(fā)了一個令科學(xué)家們困擾了 150 年的難題。

不同的元素電子躍遷釋放出的能量波長不同,，對太陽發(fā)出的光進(jìn)行光譜分析可以識別其成分,。而這條奇怪的綠線，無法對應(yīng)任意一種地球上的已知元素。在當(dāng)時,，科學(xué)家們認(rèn)為他們發(fā)現(xiàn)了一種新元素,，甚至命名為“癚”（讀音dàn，coronium）,。

這張照片是在2017年8月21日的日全食期間,，在俄勒岡州馬德拉斯拍攝的。

圖片來源：NASA’s Goddard Space Flight Center /Gopalswamy

七十多年后的 1941 年,，瑞典物理學(xué)家本特·埃德倫（Bengt Edlén）才第一次發(fā)現(xiàn),，原來這道奇怪的綠線并非來自新元素，而是來自再普通不過的鐵,。不同尋常的是,，這里的鐵因過熱被電離了 13 次，鐵原子丟失了一半的電子,。如此高電離程度的發(fā)生,，日冕溫度只有達(dá)到上百萬攝氏度才能達(dá)成——這就是當(dāng)代天文學(xué)的八大難題之一：日冕加熱問題。

解釋了蒙娜麗莎般綠色譜線的來源,，天體物理學(xué)家們陷入了更深更復(fù)雜的謎團(tuán)中,。

密歇根大學(xué)安娜堡分校（University of Michigan in Ann Arbor）的太空科學(xué)家，帕克太陽探測器上“太陽風(fēng) α 電子和質(zhì)子調(diào)查”（Solar Wind Electrons Alphas and Protons Investigation,，SWEAP）這一儀器組件的首席調(diào)查員賈斯汀·卡斯帕（Justin Kasper）說：“日冕加熱問題涵蓋了好幾個相關(guān)的謎團(tuán),。首先，日冕如何迅速升溫,？其次,，加熱是如何持續(xù)的？不同的元素又如何以不同的速率加熱,？ ”

為了了解熾熱的日冕背后的秘密,，科學(xué)家們用盡了一切可能的辦法,，從高分辨率的觀測儀器和復(fù)雜的模型,，到全天候觀察太陽的宇宙飛船，卻都沒能給出一個完美的答案,。畢竟我們離日冕太遠(yuǎn)了,，足足隔了 1.5 億公里，太陽風(fēng)到達(dá)近地的航天器需要 4 天之久,，其間難免混入其他顆粒,，失去原本的模樣。

這就是我們需要帕克太陽探測器的理由：它將飛越日冕,，探尋其運(yùn)作的線索,，為科學(xué)家提供解決日冕加熱問題的機(jī)會。

在太陽表面上方,，等離子體纏繞的日冕延伸數(shù)百萬公里,，最終,，它繼續(xù)向外作為太陽風(fēng)，即超音速等離子體流滲透整個太陽系,。

圖片來源：NASA’s Goddard Space Flight Center/Lisa Poje/Genna Duberstein

如果能深入日冕,，帕克太陽探測器就能收集到剛剛加熱的新鮮粒子，消除 1.5 億公里旅途的不確定性,，呈現(xiàn)給科學(xué)家們有史以來最準(zhǔn)確的日冕測量值,。

約翰霍普金斯大學(xué)（Johns Hopkins University）應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的太陽物理學(xué)家、負(fù)責(zé)帕克太陽探測器項(xiàng)目的努爾·拉烏夫（Nour Raouafi）表示：“我們意識到,，在發(fā)送探測器對日冕本身進(jìn)行測量之前,，我們永遠(yuǎn)無法完全解決日冕加熱問題?！?/span>

向太陽進(jìn)發(fā)的想法其實(shí)很早就有了,，科學(xué)家們花了幾十年來設(shè)計(jì)能夠達(dá)到這一要求的航天器，同時也明確了所需要的數(shù)據(jù),。日冕加熱這個終極問題需要萬全的準(zhǔn)備,。

關(guān)于日冕加熱機(jī)制，科學(xué)家們提出了多種可能解釋——從 70 年前的太陽表面附近湍流產(chǎn)生聲波向上傳播加熱,，到現(xiàn)在被學(xué)界主流認(rèn)可的兩大理論——但一切仍需要更確切的觀測數(shù)據(jù)來考核,。此次發(fā)射的帕克太陽探測器將測試兩種主要理論。

NASA與日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency,，JAXA）合作的日出衛(wèi)星（Hinode）拍攝的特寫：太陽對流或沸騰運(yùn)動在右側(cè)形成一個小的太陽黑子,。

圖片來源：NASA / JAXA / Hinode

理論一：電磁波加熱機(jī)制。太陽光球附近的湍流運(yùn)動激發(fā)一定頻率的波向上傳播,，波動攜帶的能量在色球?qū)雍腿彰嶂信c等離子體相互作用,，實(shí)現(xiàn)加熱。最重要的加熱波動模式之一被稱為阿爾芬波（Alfvén wave）,，簡單來說就像海浪加速沖浪者駛向海岸,。

理論二：納耀斑（nanoflare）模型。太陽表面時刻都在發(fā)生的納耀斑活動會釋放能量,，傳遞熱量到日冕實(shí)現(xiàn)加熱,。納耀斑是相比于太陽耀斑遠(yuǎn)小得多的磁場重聯(lián)過程爆發(fā)產(chǎn)生的，太陽表面上的各種對流運(yùn)動帶動磁力線產(chǎn)生剪切,、匯聚,、扭曲等運(yùn)動，會在太陽色球和日冕中激發(fā)各種尺度的磁場重聯(lián),。

許多科學(xué)家認(rèn)為兩者都可能參與加熱日冕,，引發(fā)納耀斑的磁場重聯(lián)也可以發(fā)射阿爾芬波，然后進(jìn)一步加熱周圍的等離子體。

NASA 戈達(dá)德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）的太空科學(xué)家埃里克·克里斯蒂安（Eric Christian）說：“我們就要接近真相了,，帕克太陽探測器也會以太陽自轉(zhuǎn)的速度繞太陽運(yùn)行,，在一個特定的位置觀測，日冕加熱的過程將呈現(xiàn)在我們眼前,?！?/span>

此次航天器攜帶的 4 個儀器組件中的 2 個將用于研究日冕加熱問題，分別是 FIELDS 和 SWEAP ,。

FIELDS 由加州大學(xué)伯克利分校（University of California, Berkeley）的團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)研發(fā),，將直接測量太陽大氣中的電場和磁場，了解加熱太陽風(fēng)的湍流沖擊,、電磁波和磁場重聯(lián),。

SWEAP 由馬薩諸塞州劍橋的哈佛-史密森天體物理天文臺（Harvard-Smithsonian Astrophysical Observatory）主導(dǎo)研發(fā)，將收集熱等離子體本身的數(shù)據(jù),，統(tǒng)計(jì)太陽風(fēng)中的電子,、質(zhì)子和氦離子這些最豐富粒子的數(shù)量，測量它們的溫度,、加熱后的速度以及移動方向,。

“我們有機(jī)會把溫度計(jì)固定在日冕上，直接觀察溫度上升,?！备赀_(dá)德的太陽科學(xué)家尼克倫·維亞勒（Nicholeen Viall）表示。

帕克太陽探測器將穿過太陽日冕,，追蹤能量和熱量如何穿越大氣層,。