它推翻了存在半个世纪的理论

2018年8月，帕克太阳能探测器从美国佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空，开始了前所未有的日常旅程。

帕克太阳能探测器(照片来源:美国航天局)

2018年9月，在金星引力的牵引下，帕克太阳能探测器进入了一个以太阳为焦点的椭圆轨道，并且偏心率很大。目前，它的轨道周期为147天，近日点是太阳半径的35.7倍。帕克的太阳探测器已经穿过了太阳的外层大气，成为第一个进入日冕的飞行器。通过收集和监测日冕层粒子，帕克太阳能探测器将为我们揭开太阳的许多奥秘。

最近一期《自然》杂志通过四篇论文发表了帕克太阳能探测器的第一个科学成果。这些研究为理解太阳的结构和运动提供了新的视角。

帕克太阳能探测卫星

尽管人类一直生活在太阳系中，太阳提供了我们大部分的能源，但我们对太阳了解不多。

在此之前，已经有一些卫星帮助人们了解太阳，包括太阳日光层天文台(SOHO)、太阳动力学天文台(SDO)等。但是这些卫星中没有一颗像帕克的那样靠近太阳。

帕克太阳能探测器是以芝加哥大学物理学家尤金·帕克的名字命名的。帕克1927年出生于美国密歇根州。他是太阳风理论的创始人。该探测器也是世界上唯一以一名在世科学家命名的科学卫星。

尤金·帕克

帕克太阳能探测器携带各种探测仪器，可以探测它遇到的等离子体(主要是质子、电子、部分电离的离子和少数其他原子核)、磁场和高能粒子，并对探测器周围的日冕、太阳风和冲击波进行三维成像。

自从帕克太阳能探测器成功发射以来，科学家们期望从探测器获得的数据能帮助他们解决一系列与太阳色球、日冕和太阳风有关的问题。这些问题包括为什么日冕的温度如此之高，太阳风的能量机制和加速机制是什么，太阳表面的骨针的原因和作用，以及磁场的作用是什么，等等。

帕克和太阳风

其中，帕克自己在1958年提出的太阳风隐藏了大量未解之谜。

在以往物理模型的基础上，帕克通过观察远离太阳彗星尾部的方向，建立了一个稳定的球对称等温流体动力学模型。在这个模型中，帕克大胆地提出了太阳风理论。

当时，太阳风是一个合理的假设，因为我们可以在地球的两极看到极光，极光可能是在来自太阳的带电粒子进入地球两极的强磁场区域后产生的。此外，当彗星穿越太空时，不管它们的运动方向如何，彗星的尾巴总是指向远离太阳的方向。这些迹象表明，彗星的尾巴可能被来自太阳的电磁风暴弄弯了。

清华大学物理系和天体物理中心的建筑清教授告诉《全球科学》:“1958年，帕克利用磁等离子体和流体力学理论从理论上推导出太阳风。他把计算结果写在一篇论文中，并发表在当时由钱德拉塞卡编辑的《天体物理学杂志》上。然而，当时学术界很多人并不赞同这种推测，所以一开始就有很多关于太阳风存在的争议。最后，只有通过向天空发射卫星进行观察，争端才能得到解决。”

在帕克的理论模型中，太阳外层的日冕温度极高，达到一百万度。如此高的温度会产生完全电离的等离子体。因为温度太高，这些离子的动能如此之大，以至于它们可以突破太阳的引力限制，飞向地球。此外，帕克的详细理论推导表明，从日冕释放的离子最终会突破音速临界点，并被加速到超音速。帕克称太阳释放的这种离子流为“太阳风”帕克还预测太阳风的速度超过了音速。

科学家今天已经知道，帕克的热驱动风模型不能解释持续高速的太阳风。人们普遍认为磁场在持续高速太阳风的产生中起着特殊而重要的作用。

太阳风的路径是定向的。在每一点上，太阳风的方向可以分为径向和切向。太阳风的主要速度分量是径向的，即从太阳向外吹。然而，太阳风的切向分量不可忽略，切向速度分量的大小可以反映太阳磁场和自转等因素的影响。

这次发表的四篇论文中有一篇对太阳风的速度进行了前所未有的详细分析，发现它的切向速度非常高，从而推翻了存在了半个世纪的经典模型。

冕层的观测

为了准确求解太阳风的运动规律，我们需要将太阳的引力场和磁场结合起来，并运用大量的流体力学和等离子体物理知识。此外，太阳风也受到太阳自转的影响。这些因素使得太阳风的理论研究非常困难。

在这篇最新的论文中，帕克太阳探测器在日冕层有了重要的发现。

太阳风中的声速约为每秒100-200公里。然而，帕克的太阳探测器测得的太阳风径向速度为每秒300-1000公里，超过了声速，这再次验证了帕克60年前的猜想。

更重要的是，在本文中，帕克太阳能探测器首次观测到了太阳风中的切向旋转速度。观测结果表明，帕克太阳探测器在太阳半径36倍的距离上测得的切向速度约为每秒30-50公里(即太阳风围绕太阳旋转的速度)。根据以前的模型，这里的切向速度应该只有每秒几公里。最大的区别是什么？

以前，预测太阳切向速度的经典模型是1967年提出的韦伯-戴维斯太阳风模型，其中戴维斯是帕克的博士生导师。

建筑清告诉《环球科学》杂志，这个模型的主要思想是:在太阳附近，磁场相对较强，所以磁力线会和等离子体一起旋转，两者的角速度大致相等。(例如，由于太阳的旋转速度是每秒2公里，所以1倍于太阳半径的切线速度也是每秒2公里。)随着半径的增加，等离子体离太阳越来越远，磁场强度降低，磁力线不能继续随着等离子体快速旋转。这时，太阳风切向运动的角速度将会减小。因此，切向速度(角速度和半径的乘积)不会无限增加。在距离太阳半径36倍的地方，理论切向流速应该只有每秒几公里。

然而，帕克太阳探测器观测到的峰值切向速度可达每秒30~50公里，明显大于理论预测。因此，目前的观测结果挑战了围绕太阳的日冕环流模型(韦伯-戴维斯模型)，并构成了一个未解之谜。

对此的一种可能解释是，另一种复杂的物理机制将太阳的角动量传递给太阳风。然而，具体的机制仍需进一步研究。

因为帕克的太阳探测器的探测范围只是一个小点，它只提供小空间区域的太阳风速度信息。所以目前，我们只能说它已经看到了太阳风速度的“突增”。太阳风运动的全貌还不太清楚。

除了上面提到的论文，本周发表在《自然》杂志上的另外三篇相关论文也发现了关于太阳的新的物理现象。一篇论文聚焦于缓慢太阳风的起源(风速小于每秒500公里)。最新研究指出，缓慢的太阳风来自太阳赤道附近的日冕洞。

另外两篇论文报道了太阳附近高能粒子流的观测数据以及日冕层中的电子和尘埃对光谱的散射效应。

这一系列研究展示了帕克太阳能探测器的阶段性成果。在接下来的五年里，帕克的太阳探测器的轨道将继续缩短，并越来越靠近太阳。最后，它的轨道周期将变成88天，这是离太阳表面最近的太阳半径的9倍。我们希望帕克的太阳能探测器和未来更多的太阳能探索项目能够完全揭开太阳风的秘密。

原始纸张:

近太阳太阳风中的阿尔弗尼克速度峰值和旋转流

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1813-z