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同时发表四篇论文,揭开太阳的重重谜题

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发表于 2019-12-6 21:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
同时发表四篇论文,揭开太阳的重重谜题[color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]

From: [color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]小鸥
原理
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如果请你画一个太阳,你很可能会在纸上画一个亮黄色的圆圈——实际上这还挺准确的,因为太阳是一个高温气体球,其表面(被称为光球层)发出明亮的黄光。黄色是由光球的温度决定的,光球的温度大约为5500摄氏度。

在日全食的时候,太阳的外层大气,也就是日冕,是一个明亮的圈,月亮则挡住了其余的光。日冕由等离子体组成。大约80年前,科学家发现,日冕的温度实际上比太阳表面温度要高得多,可达几百万摄氏度。为什么日冕温度会这么高?这是太阳物理学领域中最大的谜题。

日冕的高温导致一种被称为太阳风的等离子体流持续喷出。太阳风由带电粒子组成,主要是质子和氦核,沿着太阳的磁力线运动。但是太阳如何使太阳风加速是另一个巨大的谜团。幸运的是,NASA的帕克太阳探测器和太阳进行了有史以来最亲密的接触,并开始回答这些和其他许多问题。其中第一批结果刚刚发表在《自然》期刊上(共四篇论文)。


                               
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○ 图片来源:NASA's Goddard Space Flight Center

2

最初探索太阳奥秘的想法可以追溯到20世纪50年代,但太阳附近的恶劣环境对当时的航天器技术来说太有挑战了。2018年,帕克太阳探测器发射升空。它目前处于椭圆轨道上,每5个月接近太阳一次。未来几年,它将利用金星的引力越来越靠近太阳。在2024年最接近太阳的时候,它距离太阳将仅有600多万千米。尽管这个数字听起来仍然相当大,但已经比任何航天器离太阳都近得多。

在今年9月1日完成最近一次近距离接触后,探测器目前已经完成了三次任务。在每一次任务中,探测器都在离太阳表面约2400万千米的距离飞行。探测器上的设备可以直接测量太阳风等离子体和探测器周围的电磁场。探测器还会测量高能粒子,探测器上甚至还配备了成像仪器,可以拍摄日冕的照片。到目前为止,探测器和太阳的近距离接触揭示了大量新的物理现象。

3

帕克太阳探测器的主要目标之一是发现“慢”太阳风的来源,以及它是如何在太阳高温的大气中加速的。

来自太阳的大量粒子是两种流的混合,一种流动速度是另一种的两倍。所谓的“快”太阳风,其速度在每秒500到1000千米之间。研究人员已经知道,它们来自太阳南北两极的大日冕洞。日冕洞与太阳黑子有关,是比周围日冕温度低、密度小的区域。但人们对“慢”太阳风的来源知之甚少,这种太阳风密度更大,但速度只有“快”太阳风的一半左右。

现在,帕克的数据表明,缓慢的太阳风是从太阳赤道附近的小日冕洞流出的。在每一次近距离接触中,探测器都会在一个日冕洞上方停留长达一周的时间,太阳风粒子从这个日冕洞中沿着磁力线涌出,流过探测器,探测器上的设备可以直接观察到太阳表面的情况。


                               
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○ 近日环境。| 参考来源:Nature

解开谜团的同时,帕克也提出了许多新的问题。它的首批观测结果表明,风速和磁场的变化比近地观测到的变化大得多。例如,磁场传感器探测到了磁场方向的大幅度翻转。

我们不知道这些翻转到底是什么。但测量结果表明,它们与太阳风流出的速度增加是一致的。这种情况是通过短暂而强烈的“喷流”发生的,也就是太阳风的流速在几分钟内增加。每一次等离子体波都伴随着周围磁场的突然翻转。科学家认为,他们看到的可能是磁场中的S形波纹,就好像太阳表面附近的什么东西抓住了磁力线,像鞭子一样折断了它。

探测器上的仪器还探测到许多较小的电磁场波动。我们从先前的测量中已经知道它们的存在,但是它们在太阳附近的强度确实令人惊讶。这表明它们实际上可能在加热日冕,以及加速太阳风方面起着重要的作用。


                               
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○ 帕克太阳探测器观测到的磁力线弯曲现象示意图 | 图片来源:NASA's Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab/Adriana Manrique Gutierrez

另一个有趣的发现是在太阳耀斑(日冕中紫外线的明亮爆发)之后。探测器测量了在日冕活跃区中被加速的粒子。这些粒子到达的时间表明,它们和太阳之间的距离比预测的要长。由于高能粒子沿着太阳磁力线运动,这一较长的运动时间表明,太阳和探测器之间的磁场结构比以前想象的要复杂。

成像仪器还看到太阳附近日冕物质抛射的特征。这些是来自日冕的物质大爆发。研究这些爆发对我们的社会非常重要。如果大型日冕物质抛射撞击地球,会造成很多干扰,例如断电、GPS信号丢失、无线电通信中断以及对航空旅行者和宇航员的伤害。

另一个令人惊讶的是,在每一次探测器飞过近日点的时候,有大量尘埃颗粒不断向探测器袭来。这些尘埃颗粒可能小于一微米,很可能是小行星或彗星的碎片,它们在太阳附近熔化,留下了被困在这里的尘埃。这些尘埃现在正围绕太阳旋转,科学家怀疑撞击探测器的大部分尘埃正受到光压向外喷射,并注定要完全逃离太阳系。

4

即使取得第一批结果之后,仍有许多问题悬而未决。帕克带来的大量信息肯定会让研究人员在未来的几年里忙得不可开交。然而,接近太阳已经被证明是绝对值得的。在未来的几年里,太空飞行器技术将更进一步,先进的仪器将使许多新的科学发现成为可能。或许这些测量结果很快将帮助我们改写教科书,并解开太阳最大的谜团——为什么太阳日冕如此炽热,以及太阳风是如何加速的。

参考来源:https://theconversation.com/why-is-the-suns-atmosphere-so-hot-spacecraft-starts-to-unravel-our-stars-mysteries-128242https://www.nature.com/articles/ ... w-light-on-the-sun/


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