無論是神話傳說中的夸父逐日、后羿射日，還是現(xiàn)代以來針對太陽的各種望遠(yuǎn)鏡和探測器，或許都意味著，從古至今，人類對太陽的興趣從來未曾褪卻過。

近日，NASA 科學(xué)任務(wù)理事會副局長托馬斯·祖布?xì)J（Thomas Zurbuchen）宣布，“帕克太陽探測器 于今年 4 月 28 日成功穿過太陽日冕，成為人類歷史上首個‘接觸’太陽的航天器”[1]。

該探測器于 2018 年發(fā)射升空，旨在觀測太陽內(nèi)部環(huán)境，并揭示太陽運(yùn)行機(jī)制，從而為解決一些天文學(xué)界長期存在的難題提供佐證。

12 月 14 日，相關(guān)成果發(fā)表在Physical Review Letters上，該論文以《帕克太陽探測器進(jìn)入磁控日冕》（Parker Solar Probe Enters the Magnetically Dominated Solar Corona）為題。第一作者是美國密歇根天體物理學(xué)研究所教授、BWX Technologies 副首席技術(shù)官賈斯汀·卡斯帕（Justin C. Kasper ）。

人類“逐日”步伐從未停息

人類離不開陽光，就像離不開空氣和水一樣。如春雨潤物無聲，太陽光照在維持地球循環(huán)運(yùn)作方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

古時候，太陽一度被神話成人，《淮南子·天文訓(xùn)》中記載：“日出于旸谷，浴于咸池，拂于扶桑，是謂晨明?！?/p>

到了近現(xiàn)代，隨著科學(xué)文明的進(jìn)步，我們終于知道太陽其實只是銀河系內(nèi)諸多星系中的一顆普通恒星，所謂的太陽發(fā)光也只是其內(nèi)部的核聚變反應(yīng)。然而，人類對太陽的好奇并未因此而得到滿足，反而愈發(fā)想要探索其隱藏在“高溫面具”下的真面目。

圖 | 日全食期間的日冕圖像（來源：NASA）

20 世紀(jì) 90 年代，美國發(fā)射“尤利西斯”（Ulysses）太陽探測器，以求近距離觀測地球兩極。在經(jīng)過長達(dá) 17 年的漫長飛行旅程后，其最終于 2008 年完美結(jié)束探索使命；

2001 年，“起源”號探測器成功發(fā)射。值得一提的是，該探測器通過一種收集裝置，成功采集到太陽風(fēng)粒子樣本；

2003 年，“星系演化”探測器成功升空，這是人類首次對銀河系以外的太空進(jìn)行紫外線測量，為包括太陽系在內(nèi)的眾多星系的演化研究提供了支持；

2018 年 8 月 12 日，此次報道中的主角帕克太陽探測器在肯尼迪航天中心發(fā)射。不同于此前的各種航天器，NASA 對其寄予厚望，認(rèn)為“這將是人類探測器首次如此近距離接觸太陽，它將直接飛入太陽外層大氣層日冕所在軌道上，距離太陽表面僅 650 萬公里”。

需要注意的是，將航天器送入太陽磁化大氣層的概念，甚至比 NASA 創(chuàng)立時間更早。

據(jù)悉，帕克探測器是目前已知飛行速度最快的人類航天器，速度幾乎可達(dá)每小時 40 萬千米。

此外，它的名字來源于美國天文學(xué)家尤金·帕克（Eugene Parker），以表彰其在太陽風(fēng)研究中作出的卓越貢獻(xiàn)。

探測器首次進(jìn)入太陽日冕

雖然公布日期是在 12 月 14 日，但事實上，帕克探測器抵達(dá)太陽日冕處的準(zhǔn)確時間為 4 月 28 日，并停留了 5 個小時之久。

帕克探測器的主要目標(biāo)是了解太陽的工作原理，不過這卻需要其穿越太陽大氣層，并搜集太陽粒子。

日冕是太陽大氣的最外層，溫度可達(dá) 200 萬攝氏度，太陽內(nèi)部的溫度卻只有 5500 攝氏度左右。如何讓航天器抵御高溫的侵蝕穿越太陽外邊界也因此成為了關(guān)鍵。

為了解決這個難題，哈佛-史密森尼天體物理中心（CfA）的研究團(tuán)隊設(shè)計了一個類似杯子的探測儀器，由鎢、鈮、鉬和藍(lán)寶石等具有高熔點的材料制成，即使是穿越日冕也不會融化。

CfA 天體物理學(xué)家安東尼·凱斯（Anthony W. Case）表示，“擊中帕克太陽探測器的光量決定了航天器的溫度。雖然探頭的大部分都受到隔熱罩的保護(hù)，但我們的杯子是僅有的兩種突出且沒有保護(hù)的儀器之一。”

在凱斯看來，該太陽探測器杯本身就是一種工程壯舉。

他進(jìn)一步解釋道，“在進(jìn)行測量時，杯子會直接暴露在陽光下并在非常高的溫度下運(yùn)行；它實際上是熾熱的，儀器的部分溫度超過 1000 攝氏度，并發(fā)出紅橙色的光?！?/p>

最終結(jié)果是，太陽探測器杯成功完成太陽粒子的收集工作，這將幫助科學(xué)家們了解帕克探測器的最新動態(tài)以及其是否安全抵達(dá)日冕。

圖 | 藝術(shù)家對接近太陽的帕克探測器的構(gòu)想（來源：NASA）

通過帕克反饋回來的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象，即阿爾文臨界表面并不是光滑的，而是如同老人一般有著“皺紋”。

阿爾文臨界表面位于“太陽大氣層終結(jié)和太陽風(fēng)開始”的位置，由于太陽沒有固體的表面，這個位置也就成為了常規(guī)意義上的界面。

研究人員注意到，阿爾文臨界表面下方的折返點遠(yuǎn)少于其上方的折返點。這一發(fā)現(xiàn)可能意味著日冕內(nèi)不會形成折返。

“幾十年來，我們一直在觀察太陽及其日冕，我們知道那里正在發(fā)生有趣的物理學(xué)來加熱和加速太陽風(fēng)等離子體，但我們?nèi)匀粺o法準(zhǔn)確地說出這種物理學(xué)是什么。”NASA 帕克太陽探測器項目科學(xué)家努爾·拉瓦菲（Nour Raouafi）表示。

“隨著帕克太陽探測器現(xiàn)在飛入磁主導(dǎo)的日冕，我們將獲得期待已久的關(guān)于這個神秘區(qū)域內(nèi)部運(yùn)作的見解?！?/p>

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參考：

1.J.?C. Kasper et al.Physical Review Letters127，255101（2021）.

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.255101