科学家揭秘太阳风如何获取能量

这幅艺术家的概念图展示了太阳磁场中的回旋处或大型扭结。 图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心/概念图像实验室/Adriana Manrique Gutierrez

自 20 世纪 60 年代以来，天文学家们一直困惑于太阳的超音速"太阳风"--流向太阳系的高能粒子流--在离开太阳后如何继续保持能量。 现在，两个航天器（一个来自美国国家航空航天局，另一个是欧空局（欧洲航天局）/美国国家航空航天局的联合任务）的幸运排列可能已经揭示了答案。 这一发现提供了至关重要的洞察力，有助于科学家改进对影响太阳和地球之间空间的太阳活动的预测。

太阳轨道器插图 美国宇航局的帕克太阳探测器正在观测太阳。 图片来源：太阳轨道器： 欧空局/ATG medialab；帕克太阳探测器： 美国国家航空航天局/约翰斯-霍普金斯亚太实验室

研究人员最近在《科学》（Science）杂志上发表了一篇论文，提出了令人信服的证据，证明速度最快的太阳风是由磁性"回旋"（太阳磁场中的大型扭结）驱动的。

这项研究的共同负责人、哈佛天体物理学中心（Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian）下属史密森天体物理天文台（Smithsonian Astrophysical Observatory）的博士后Yeimy Rivera说："我们的研究解决了一个关于太阳风如何获得能量的巨大悬而未决的问题，有助于我们了解太阳如何影响其环境，并最终影响地球。如果这一过程发生在我们本地的恒星上，那么这就极有可能为来自银河系内外其他恒星的风提供动力，并可能对系外行星的宜居性产生影响。"

此前，美国国家航空航天局的帕克太阳探测器发现，这些回转在整个太阳风中很常见。 帕克探测器于2021年成为第一个进入太阳磁性大气层的飞行器，它使科学家们能够确定，在靠近太阳的地方，回折变得更加明显和强大。 然而，到目前为止，科学家们还缺乏实验证据来证明这一有趣的现象确实沉积了足够的能量，从而在太阳风中发挥了重要作用。

天体物理中心的天体物理学家、合著者迈克-史蒂文斯（Mike Stevens）说："大约三年前，我在一次演讲中谈到这些波是多么迷人。最后，一位天文学教授站起来说，'这很好，但它们真的重要吗？"

这幅概念图显示帕克太阳探测器即将进入日冕。 图片来源：Ben Smith/应用物理实验室/美国国家航空航天局

为了回答这个问题，科学家小组不得不使用两个不同的航天器。 帕克号是为穿越太阳大气层或"日冕"而建造的。 欧空局和美国国家航空航天局（NASA）的太阳轨道器（Solar Orbiter）任务的轨道也离太阳相对较近，可以在更远的距离测量太阳风。

这一发现之所以成为可能，是因为 2022 年 2 月的一次巧合对准，使得帕克太阳探测器和太阳轨道器能够在两天内测量到相同的太阳风流。 当帕克探测器绕过太阳磁性大气层边缘时，太阳轨道器几乎接近太阳的一半。

"我们最初并没有意识到帕克和太阳轨道器测量的是同一件事。 帕克看到太阳附近的等离子体速度较慢，充满了回旋波，而太阳轨道器则记录到了一个快速流，它接收到了热量，波的活动非常少，"天体物理中心的天体物理学家、这项研究的另一位共同负责人塞缪尔-巴德曼（Samuel Badman）说。"当我们把这两者联系起来的时候，那是一个真正的尤里卡时刻。"

艺术家的概念图显示太阳轨道器靠近太阳。 资料来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心概念图像实验室

科学家们早就知道，能量是通过所谓的"阿尔芬波"在整个日冕和太阳风中流动的，至少部分是这样。 这些波通过等离子体传输能量，等离子体是构成太阳风的过热物质状态。

然而，阿尔费恩波在太阳和地球之间的演变和与太阳风的相互作用程度却无法测量--直到这两个任务被同时发送到比以往任何时候都更接近太阳的地方。 现在，科学家们可以直接确定这些波在日冕附近的磁场和速度波动中储存了多少能量，而在离太阳更远的地方，这些波所携带的能量要少得多。

新的研究表明，以回转形式出现的阿尔芬波能提供足够的能量，以解释太阳风在远离太阳时的加速流中所记录的加热和加速现象。

麻省理工学院名誉教授约翰-贝尔彻（John Belcher）说："我们花了半个多世纪的时间才证实阿尔文波加速和加热是重要的过程，而且它们的发生方式与我们认为的大致相同。"

除了帮助科学家更好地预测太阳活动和空间天气外，这些信息还有助于我们了解宇宙其他地方的奥秘，以及类似太阳的恒星和恒星风是如何在各处运行的。

美国宇航局帕克太阳探测器任务科学负责人亚当-萨博（Adam Szabo）说："这一发现是解答太阳风如何在日光层最内层加速和加热这一长达50年之久的问题的关键拼图之一，使我们更接近于完成帕克太阳探测器任务的主要科学目标之一。"

编译自/SciTechDaily