"缓慢"的太阳风：太阳轨道器揭开的神秘起源

太阳轨道飞行器任务的新发现确定了太阳磁场线重新连接区域缓慢太阳风的起源，为深入了解太阳动力学和对地球的潜在影响提供了依据。图片来源：欧空局和美国国家航空航天局/太阳轨道器/EUI 小组；致谢：Lakshmi Pradeep Chitta，马克斯-普朗克太阳系研究所

科学家们利用"太阳轨道器"（Solar Orbiter）航天器首次接近太阳时收集到的数据，在揭示"缓慢"太阳风的神秘起源方面取得了重大进展。

太阳风可以以每秒数百公里的速度传播，多年来一直吸引着科学家，今天（5 月 28 日）发表在《自然-天文学》杂志上的新研究终于揭示了太阳风的形成过程。

太阳风描述了带电等离子体粒子从太阳向太空的持续外流--风速超过每秒 500 公里称为"快风"，低于每秒 500 公里称为"慢风"。

当这种风吹到地球大气层时，就会产生我们所熟知的北极光。但是，当大量等离子体以日冕物质抛射的形式释放出来时，也会造成危害，对卫星和通信系统造成严重破坏。

尽管进行了几十年的观测，但人们对太阳风等离子体的释放、加速和输送太阳风等离子体离开太阳进入太阳系的来源和机制--尤其是缓慢的太阳风--仍不甚了解。

太阳轨道器的目的是近距离研究太阳，重点是了解太阳风、太阳磁场和日光层--太阳向太空发射的巨大带电粒子气泡。该航天器配备了十台科学仪器，可捕捉高分辨率图像并收集有关太阳大气层的数据，有助于将太阳活动与太阳系中的现象直接联系起来。这项任务对于增进我们对空间天气及其对地球影响的了解至关重要。图片来源：ESA/ATG medialab

2020 年，欧洲航天局（ESA）在美国国家航空航天局（NASA）的支持下启动了太阳轨道器飞行任务。除了拍摄有史以来距离太阳最近、最详细的图像外，该任务的主要目的之一是测量太阳风并将其与太阳表面的起源区域联系起来。

被称为"有史以来送往太阳的最复杂的科学实验室"，太阳轨道器上搭载了十种不同的科学仪器--一些是在太阳风经过航天器时就地收集和分析太阳风样本的仪器，其他遥感仪器旨在捕捉太阳表面活动的高质量图像。

太阳轨道器的十套科学仪器将对太阳进行研究。仪器分为两类：原位仪器和遥感仪器。原位仪器测量航天器本身周围的情况。遥感仪器则测量远处的情况。这两组数据可以用来拼凑出一幅更完整的日冕和太阳风的图景。图片来源：ESA-S.Poletti

通过将摄影数据和仪器数据相结合，科学家们第一次能够更清楚地确定缓慢的太阳风从何而来。这有助于他们确定太阳风是如何离开太阳并开始进入日光层的。日光层是太阳及其行星周围的一个巨大气泡，保护太阳系免受星际辐射。

泰恩河畔纽卡斯尔诺桑比亚大学的斯蒂芬-亚德利博士领导了这项研究并解释说："尽管过去的研究已经追溯了太阳风的起源，但这是在距离地球更近的地方进行的，而此时这种可变性已经消失。"

"由于太阳轨道器如此接近太阳，我们可以捕捉到太阳风的复杂性质，从而更清楚地了解太阳风的起源，以及这种复杂性是如何由不同源区的变化驱动的。"

快速太阳风和慢速太阳风的速度差异被认为是由于它们源自太阳大气最外层--日冕的不同区域。

诺桑比亚大学的 Steph Yardley 博士。图片来源：Simon Veit-Wilson/诺桑比亚大学

开阔日冕指的是磁场线一端固定在太阳上，另一端延伸到太空中的区域，为太阳物质逃逸到太空中创造了一条高速公路。这些区域温度较低，被认为是快速太阳风的来源。

同时，闭合日冕指的是太阳磁场线闭合的区域，即磁场线两端与太阳表面相连。这些区域可以被看作是在磁场活跃区域上空形成的大的明亮环。

这些闭合磁环偶尔会断开，为太阳物质提供短暂的逃逸机会，就像通过开放磁场线一样，然后重新连接起来，再次形成闭合磁环。这种情况一般发生在开放式和封闭式日冕的交汇处。

太阳轨道器的目的之一是检验一种理论，即缓慢的太阳风源自封闭的日冕，并能够通过磁场线断裂和重新连接的过程逃逸到太空中。

科学小组检验这一理论的方法之一是测量太阳风流的"成分"或组成。

太阳物质中所含重离子的组合因其来源而异；较热的封闭日冕与较冷的开放日冕。

利用太阳轨道器上的仪器，研究小组能够分析太阳表面的活动，然后将其与航天器收集的太阳风流进行比对。利用太阳轨道器捕捉到的太阳表面图像，他们能够精确地确定慢风流来自开放日冕和封闭日冕交汇的区域，从而证明了慢风能够通过断裂和重联过程从封闭磁场线中逃脱的理论。

诺桑比亚大学太阳和空间物理学研究小组的亚德利博士解释说："太阳轨道器测量到的太阳风成分变化与日冕中各种来源的成分变化是一致的。重离子与电子组成的变化提供了强有力的证据，证明这种变异不仅是由不同的源区驱动的，而且也是由于日冕中闭合环路与开放环路之间发生的再连接过程造成的。"

欧空局太阳轨道飞行器任务是一项国际合作任务，来自世界各地的科学家和机构共同合作，贡献专业技能和设备。

欧空局太阳轨道器项目科学家丹尼尔-穆勒（Daniel Müller）说："从一开始，太阳轨道器任务的核心目标就是将太阳上的动态事件与它们对日光层周围等离子泡的影响联系起来。"

"为了实现这一目标，我们需要将对太阳的远程观测与对流经航天器的太阳风的现场测量结合起来。我为整个团队成功完成这些复杂的测量工作感到无比自豪。这一结果证实，太阳轨道器能够在太阳风及其太阳表面的源区之间建立强大的联系。这是这次任务的一个关键目标，为我们以前所未有的细节研究太阳风的起源开辟了道路"。

太阳轨道器上的仪器包括重离子传感器（HIS），该传感器部分由密歇根大学气候与空间科学和工程系空间物理研究实验室的研究人员和工程师开发。该传感器旨在测量太阳风中的重离子，从而确定太阳风的来源。

"太阳的每个区域都可能有独特的重离子组合，这决定了太阳风流的化学成分。"密歇根大学气候与空间科学和工程学教授、重离子传感器副首席研究员苏珊-莱普里（Susan Lepri）说："由于太阳风的化学成分在向太阳系外传播的过程中保持不变，我们可以利用这些离子作为指纹，确定太阳大气下部特定太阳风流的来源。"

太阳风中的电子由电子分析仪系统（EAS）测量，该系统由伦敦大学洛杉矶分校穆拉德空间科学实验室开发，亚德利博士是该实验室的荣誉研究员。

伦敦大学洛杉矶分校的克里斯托弗-欧文教授说："仪器团队花了十多年的时间设计、制造和准备发射传感器，并计划如何以最佳方式协调运行这些传感器。因此，现在我们非常高兴地看到这些数据汇总在一起，揭示出太阳的哪些区域正在推动缓慢的太阳风及其变化。"

质子-阿尔法传感器（PAS）用于测量风速，由位于法国图卢兹的保罗-萨巴蒂埃大学天体物理与行星学研究所设计开发。这些仪器共同组成了太阳轨道器上的太阳风分析仪传感器套件，UCL 的克里斯托弗-欧文教授是该套件的首席研究员。

谈到未来的研究计划，Yardley 博士说："到目前为止，我们只以这种方式分析了太阳轨道器在这一特定区间的数据。利用太阳轨道器研究其他情况，并与其他近距离任务（如美国宇航局的帕克太阳探测器）的数据集进行比较，将是非常有趣的。"

详细介绍这项研究的论文将于今天发表在《自然-天文学》上。

编译来源：ScitechDaily