科学家详解：“帕克”关注太阳的哪些秘密？

■本报记者甘晓

8月12日，“帕克”号太阳能探测器发射升空，并将在未来7年内到达离太阳表面610万公里的地方，成为历史上离太阳最近的航天器。根据美国国家航空航天局的官方信息，“帕克”号将集中研究关于太阳的三个基本问题，即太阳风的加速、太阳风暴现象的原理和日冕层的高温。

我们为什么要理解这三个问题？你已经知道了什么？探索这三个问题的意义是什么？为此，《中国科学报》记者采访了相关专家，详细解释了“帕克”的科学问题。

未决理论问题

油炸冰淇淋是太阳物理学家最喜欢的太阳大气物理状态的隐喻。他们实际上想说的是，太阳的外层比表面温度更热。

1941年，瑞典分光镜本格特·艾德兰德解释了先前获得的日冕辐射线，它是在铁原子的13次电离过程中产生的，只有在几百万度的高温下才会发生。从那以后，越来越多的证据表明，太阳的大气层从表面到外层逐渐升温，温度从6000摄氏度上升到数千万摄氏度。

这种现象不仅与地球上的情况大不相同，而且严重违反了热力学第二定律。为什么会这样？多年的观测数据让科学家们推测，一定有额外的能量来加速粒子的运动，从而导致日冕的高温。

同样，“额外能量”也导致另一种现象，即太阳风加速。1958年，美国物理学家帕克通过理论模型准确预测了日冕膨胀对太阳引力的速度和磁场强度，并首次将日冕膨胀现象命名为“太阳风”。他的预测显示太阳风到达太阳系行星的速度比到达太阳表面的速度快得多。未来的观测还表明，太阳风到达地球轨道的速度达到每秒400到500公里。但是帕克没能解释这一现象。

60年后的今天，“帕克”探测器将完成提供数据的任务，这些数据是用来解释日冕异常高温和太阳风加速的额外能量的来源。

中国科学院国家空间科学中心的研究员刘墉告诉《中国科学杂志》:“这两个问题是当前太阳物理理论中尚未解决的关键问题，具有很高的理论价值。”

波动还是磁场重联？

当然，科学家从未停止观察和猜测额外的能量。中国科学院国家天文台太阳活动预测小组首席研究员王华宁告诉《中国科学报》，目前科学界对粒子加速的原因有两种看法:“波加热”和“磁重联加热”。

其中，“波加热”认为太阳光球附近的物质-能量交换过程刺激各种等离子体波动。"等离子体波动与粒子相互作用，提高粒子运动的热速度，实现加热."刘墉解释道。

欧洲航天局和美国航天局于1994年联合发射的SOHO卫星观测到了相关证据。"较重的粒子，如氧离子，会在较高的温度下被加热，而质子则不会."刘墉说。

“磁场重联加热”的支持者认为额外的能量来自磁场重联。当这种小规模的重联发生在日冕的许多部分时，就有可能将磁场的能量转化为等离子体的动能，即提高日冕的温度。

王华宁指出:这两种观点已经被一个又一个的实际观察证据所支持，但至今还没有得出结论。在他看来，“帕克”探测器可以进入日冕的外围进行现场探测，并有望解决这个难题。

具有现实意义的太阳风暴

在科学家看来，“帕克”探测器在探测太阳风暴原理方面具有实际意义。自1859年英国天文学家卡林顿首次观测到太阳耀斑以来，这种持续时间短、规模大的能量释放现象引起了人们的极大关注。

如今，太阳风暴已被视为灾难性的空间天气，世界各国都在对其进行监测、预警和研究。

王华宁说，所有利用电磁现象进行的人类活动都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损坏星载部件，并损害太空宇航员的健康。来自太阳风暴的强电磁辐射可能会严重干扰通信和导航系统；太阳风暴引发的强磁暴甚至会导致电力传输系统崩溃。

“由于缺乏对太阳风暴形成机制的深入了解，人类没有能力准确预测它们发生的时间和强度。”长期从事太阳活动预测的王华宁说:“我们非常希望‘帕克’号探测器能够为研究太阳风暴的机制提供观测证据，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，中国和欧洲科学家共同提出了太阳风-磁层相互作用全景成像卫星项目，该项目由中国科学院和欧洲航天局共同发起。该项目旨在对大倾角椭圆轨道上的太阳磁层顶、极尖区和极光进行全景成像，同时对地磁场和等离子体进行原位测量，以提高人类对太阳活动与地球磁场变化之间关系的认识。

记者了解到，目前该项目正在开展项目开发工作，预计2019年10月该项目将转入初步样本开发阶段。

中国科学新闻(2018-08-14，第一版集锦)

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