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科学家详解:“帕克”关注太阳的哪些秘密?

2018-08-14 09:21来源:《中国科学报》

  ■记者 甘晓

  8月12日,“帕克”太阳探测器发射升空,将在未来7年内抵达距离太阳表面约610万千米之处,成为有史以来最靠近太阳的航天器。据美国宇航局(NASA)官方信息,“帕克”将关注三个有关太阳的基本问题,即太阳风的加速、太阳风暴现象的原理以及日冕层的高温。

  为何要了解这三个问题?已经知道了什么?对这三个问题的探索有什么意义?为此,《中国科学报》记者采访相关专家,对“帕克”的科学问题进行详细解释。

  悬而未决的理论问题

  油炸冰淇淋,是太阳物理学家对太阳大气物理状态最喜欢用的一个比喻。他们实际上想说的是,太阳的外层比它的表面温度还要高。

  1941年,瑞典光谱学家本格特·艾德兰解释了此前获得的一条日冕辐射谱线,其为铁原子的13次电离时产生,这只有上百万度的高温才会发生。从此,越来越多的证据表明,太阳大气层从表面到外层,则从6000摄氏度逐渐加温,日冕层已经炽热到上千万摄氏度。

  这个现象不仅和地球的情况大相径庭,还严重违反了热力学第二定律。为什么会这样?多年观测数据让科学家们猜测,一定有额外的能量加速粒子的运动,导致了日冕的高温。

  同样,“额外的能量”还导致另一个现象,即太阳风的加速。1958年,美国物理学家帕克通过理论模型,精确预测了日冕克服太阳引力发生膨胀的速度和磁场强度,并首次把日冕膨胀的现象命名为“太阳风”。他的预测表明,太阳风抵达太阳系行星时的速度远比其在太阳表面的大。日后的观测数据也表明,抵达地球轨道的太阳风速度达到每秒400至500公里。但帕克没能解释这一现象。

  60年后的今天,“帕克”探测器将完成这一使命——为解释日冕反常高温和太阳风加速现象的额外能量来自哪里提供数据。

  中科院国家空间科学中心研究员刘勇告诉《中国科学报》记者:“这两个问题是当前太阳物理理论方面尚未解决的关键问题,具有非常高的理论价值。”

  波动还是磁重联?

  当然,科学家对额外能量的观测和猜想从未停止。中科院国家天文台太阳活动预报团组首席研究员王华宁告诉《中国科学报》记者,目前,科学界对粒子加速的原因有“波动加热”和“磁重联加热”两种观点。

  其中,“波动加热”认为,太阳光球附近的物质能量交换过程激发出各类等离子体波动。“等离子体波动和粒子相互作用,提升粒子运动的热速度,实现加热。”刘勇解释。

  1994年由欧洲航天局和NASA共同发射的SOHO卫星观测到相关证据。“重的粒子比如氧离子加热温度更高,而质子没那么高。”刘勇表示。

  “磁重联加热”观点的支持者认为,额外的能量来自于磁重联。当日冕中许多地方都发生这种小尺度的重联,就可能把磁场的能量转换为等离子体动能,即升高日冕温度。

  王华宁指出:“这两种观点陆续都有实际观测的证据支持,但迄今为止没有定论。”在他看来,“帕克”探测器能够进入日冕外围,进行实地探测,有希望解决这一谜题。

  具有现实意义的太阳风暴

  在科学家们看来,“帕克”探测器对太阳风暴原理的探测具有现实意义。自1859年英国天文学家卡林顿首次观测到太阳耀斑起,这种持续时间较短、规模巨大的能量释放现象便受到人们的高度关注。

  如今,太阳风暴已被视为灾害性空间天气,世界各国都在对此进行监测、预警和研究。

  王华宁介绍,利用电磁现象开展的人类活动都有可能受到太阳风暴的影响,例如太阳风暴产生的高能粒子可能会伤害卫星载荷的元器件、损害身处太空的宇航员身体健康;太阳风暴形成强烈电磁辐射可能严重干扰通信和导航系统;太阳风暴触发的强烈磁暴甚至能够导致输电系统崩溃。

  “由于对太阳风暴形成机制了解不够深入,人类还不具备准确预测其发生的时间和强度的能力。”长期从事太阳活动预报的王华宁表示,“很期待‘帕克’探测器为研究太阳风暴产生机制提供观测证据,进而形成符合观测事实的理论模型,为预测太阳风暴提供理论依据。”

  2015年,中欧科学家联合提出了太阳风—磁层相互作用全景成像卫星(SMILE)工程,由中科院和欧洲航天局联合立项,旨在大倾角、大椭圆轨道上,对向阳侧磁层顶、极尖区和地球极光进行全景成像,同时对地磁场和等离子体进行原位测量,以提高人类对于太阳活动与地球磁场变化的相互关系的认知。

  记者获悉,目前,该工程正在开展方案研制工作,预计2019年10月工程转入初样研制阶段。

[责编:白璐]

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