帕克太阳探测器和太阳轨道器合作解决65年的太阳之谜

顺其自然362

（）据美国太空网（罗伯特·李）：太阳轨道飞行器和帕克太阳探测器进行的一项新的突破性测量使科学家们比以往任何时候都更接近解决围绕太阳的一个长期之谜。奇怪的是，我们的主星的大气层，或称日冕，比太阳表面要热得多，尽管它离明显的太阳热源更远——这是一个困扰物理学家大约65年的难题。

当欧洲航天局(ESA)操作的太阳轨道器执行一些基于空间的体操时，这两种仪器之间的合作成为可能。这些动作使得飞船能够同时观察太阳和美国宇航局的帕克太阳探测器。最终，这允许在两者之间同时进行太阳观测，这一起表明湍流很可能将日冕加热到令人难以置信的温度。

“使用太阳轨道器和帕克太阳探测器的能力真的在这项研究中开辟了一个全新的维度，”该结果研究的合著者、阿拉巴马大学亨茨维尔分校的研究员加里·赞克在一份声明中说。

这一合作最终可以解决所谓的“日冕加热之谜”，它围绕着日冕和太阳表面或光球之间的热量差异，日冕由被称为等离子体的纤细而模糊的带电气体组成。



太阳轨道飞行器拍摄的两张太阳照片显示了炽热的日冕——太阳的外层大气通常被太阳表面的光线所掩盖。(图片来源:欧空局)

日冕加热之谜是什么？

日冕的温度可高达180万华氏度(100万摄氏度)，而在其下方1000英里处，光球的温度仅达到10800华氏度(6000摄氏度)左右。

这是一个令人不安的事实，因为太阳的核心，氢到氦的核聚变发生的地方，是太阳热量的绝大部分来源。这就像营火上方大约一英尺的空气比离火焰一英寸远的空气要热。

热量的差异也意味着一定有另一种加热机制直接作用在日冕上。直到现在，科学家们还没有发现这种机制，但是太阳大气中的湍流显著加热了日冕等离子体，这一直被认为是一种合理的解释。然而，用一个航天器的数据不可能调查这个假设。

卫星可以通过两种方式调查太阳:它们可以近距离和个人化地进行现场测量，就像美国宇航局的帕克太阳探测器一样，或者它们可以像太阳轨道飞行器一样进行更远程的调查。太阳轨道飞行器在距离太阳约2600万英里(4200万公里)的地方研究日冕，而帕克太阳探测器在距离太阳表面约400万英里(640万公里)的地方穿过太阳炽热的等离子体。

但是，这两种方法之间存在权衡。

遥感可以看到太阳的大部分细节，但在观测日冕等离子体中的物理现象时，却受到了影响。另一方面，原位观测可以更详细地测量等离子体，但往往会错过更大的太阳图像。

这意味着将太阳轨道飞行器对太阳事件的大规模测量与帕克太阳探测器对同一现象的详细观察结合起来，可以为我们呈现太阳的全貌，其中包含所有复杂的细节——这是两个世界的最佳选择。

然而，这并不像听起来那么简单。为了促进这一合作，帕克太阳探测器必须在太阳轨道飞行器的一个仪器的视野范围内，因为两者从它们的相对位置观察太阳。

科学家如何实现“两全其美”来解决太阳之谜

包括意大利国家天体物理研究所(INAF)研究员Daniele Telloni在内的一组天文学家发现，在2022年6月1日，这两个太阳天文台将在理想轨道配置的触摸距离内进行这样的合作。

由于太阳轨道器将会看着太阳，帕克太阳探测器将会刚好偏到一边，只稍微超出欧空局航天器Metis仪器的视野一点点——这是一种称为“日冕仪”的设备，可以阻挡来自光球层的光来成像日冕，是大规模远距离观测的理想选择。



一幅插图显示，太阳轨道飞行器需要执行一个机动动作，以同时捕捉帕克太阳探测器和太阳。(图片鸣谢:ESA/NASA/Robert Lea)

为了将两个航天器完美地排成一行，并让帕克太阳探测器看到Metis，太阳轨道飞行器进行了45度的滚动，然后稍微远离太阳。

航天器操作团队授权的这一精心计划的机动所收集的数据得到了回报，揭示了湍流确实可能以太阳物理学家理论上预测的方式转移能量，从而导致日冕加热。

湍流驱动日冕加热的方式类似于在地球上搅拌咖啡时发生的情况。通过流体或气体(咖啡和等离子体)的随机运动，能量被转移到更小的尺度上，这将能量转化为热量。在日冕的情况下，等离子体被磁化，这意味着储存的磁能也可以转化为热能。

从较大尺度到较小尺度的磁场和运动或动能的转移是这种湍流的本质，在最小尺度下，它允许波动与单个粒子相互作用，主要是带正电荷的质子，从而加热它们。

然而，这并不是说日冕加热的神秘已经“结案”了。太阳科学家仍然需要确认这些结果以及帕克太阳探测器和太阳轨道器之间的合作所暗示的机制。

“这是科学第一。这项工作代表着解决日冕加热问题的重要一步，”太阳轨道器项目科学家丹尼尔·米勒说。

该团队的研究发表在周四(9月14日)的《天体物理学杂志快报》上。