拥抱太阳,追寻太阳风

文/物质第四态

太阳是大家最熟悉不过的天体了,它每天东升西落,为地球上的万物带来赖以生存的光和热。不仅如此,在太空之中,太阳还以另一种方式影响着我们的地球。一种被称为“太阳风”的高速等离子体流时刻从太阳上涌出,并向太阳系的深处奔去。当它到达地球附近时,会与地球的磁场发生作用,既能产生美丽绚烂的极光,又会诱发航天器故障、通信中断、大规模停电等危害。太阳风是由美国的尤金·帕克教授最先发现的。2018年8月,以“帕克”命名的太阳探测器发射升空,开启了人类对太阳的又一次远征探测。

什么是太阳风？

在解释太阳风之前,我们首先要向大家介绍一种名叫“等离子体”的物质。我们知道,处于固体、气体和液体状态的物质是由分子或原子构成的,在原子和分子中,带负电荷的电子被束缚在带正电荷的离子周围,像围绕地球运行的卫星一样围绕在离子附近运动。然而,如果电子获得了非常高的能量,就可以挣脱离子的束缚,在物质中自由移动。这时,分子和原子的原有结构无法维持,就形成了由自由的离子和电子组成的“等离子体”。宏观上看,等离子体并不带电,但由于电子和离子在物质中不再“绑定”在一起,因此等离子体能够表现出一些特别的电磁属性。例如,等离子体具备一种被称为“磁场冻结”的效应,可以携带着磁场一起运动。

我们用肉眼观察到的太阳形态(太阳光会灼伤眼睛,切勿用眼睛直视太阳!观察太阳要使用专门的观测滤光设备),实际上是太阳的光球层。在光球层之外,太阳还有色球层、过渡区、日冕等圈层。日冕中的温度高达数百万开尔文(简称K,在百万量级上,开尔文与摄氏度数值相差无几),已经足以使太阳上的物质变成等离子体态。在日冕的高温驱动下,日冕上的等离子体向远离太阳的方向运动并不断被加速,最终达到超音速状态,形成了太阳风。在离开太阳时,由于等离子体的磁场冻结效应,太阳风还能携带着日冕磁场进入太空之中。太阳风可以一直奔驰到冥王星的轨道以外,距离太阳约120天文单位的地方。在那里,已经变得相当稀薄的太阳风和星际物质相互作用,形成了日球层顶,一些科学家将其视为太阳系的边缘。

等离子体是由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成的物质形态。由于正负电荷的总量相等,整个体系呈现电中性。在等离子体内部,离子和电子的相互作用使得等离子体呈现出与固体、液体、气体相异的性质,因此也被称为物质的第四态。根据存在的形式,大致可以将等离子体分为自然等离子体和人工等离子体,在自然界中,等离子体富含于包括太阳在内的恒星内部和大气、地球磁层之中,而人工等离子体是通过外加的能量激发电离物质形成的等离子体,如日光灯等。

◎太阳结构示意

如果你从太阳附近出发,每走一小段距离就测量一下磁场的方向,并沿着磁场的方向前进,当你飞行到地球轨道附近或更远的地方时,回看自己走过的轨迹,你会惊奇地发现这条轨迹并不是径直向外的,而是呈现弯曲的螺旋状。1958年,太阳风理论的先驱尤金·帕克教授在探测器探测出行星际磁场前就已经在理论上预言了这种形态的存在,因此,空间物理学的研究者们习惯将这种形态称为帕克螺旋线。帕克螺旋线的形成,来自太阳自转和太阳风磁场冻结效应的共同作用。

◎太阳风形态示意

◎地球偶极形磁场受太阳风影响示意

如果没有太阳风的存在,地球磁场的形态本应是偶极形的,与一根条状磁铁的磁场形态类似。平时,在平静太阳风的吹拂下,地球磁场朝向太阳的那边(一般称为日侧)被压缩,背向太阳的那端(一般称为夜侧)则会拉出一条长长的“尾巴”,形成地球磁层。当太阳风磁场与地球磁场同向时,地球磁场能有效地抵挡太阳风的入侵。但在二者方向相反时,地球磁场则会被一层一层地剥开。原本连接地球南、北磁极的磁力线被切断,然后和太阳风中的磁力线相连。此时,一部分太阳风粒子就可以顺着新形成的磁力线到达南北极,与南北极的大气摩擦,形成绚烂的极光。同时,在太阳风的带动下,新形成的磁力线被输送到地球磁层的尾部,并在那里重新成为地球磁层的一部分。

太阳活动平静时,太阳风的速度一般在250千米/秒—850千米/秒之间。虽然速度存在起伏变化,但这时的太阳风总体上对地球附近空间环境的影响不是很强烈。然而,当太阳上有剧烈的太阳风暴发生时,太阳风就会对地球的空间环境产生灾害性影响。太阳风暴具体表现为“太阳耀斑”和“日冕物质抛射”两种形态。在日冕中爆发的太阳风暴一旦击中地球,将会给人类的航天、供电、通信、航空、GPS定位等一系列高科技系统带来严重影响。1979年,美国的天空实验室因太阳风暴对中高层大气的持续加热而出现超出预期的轨道衰减,最终提前坠落。1989年3月,太阳风暴诱发的巨大地磁暴摧毁了加拿大魁北克地区的电网,造成了大面积停电。1991年2月,太阳风暴产生的高能粒子穿透了风云一号B气象卫星,使卫星上的姿态控制计算机出现故障,卫星刚刚在太空中工作半年就提前报废了。和地球上预报阴晴雨雪的天气预报一样,目前相关科研机构也定期发布“空间天气预报”,对太阳风暴的发生及其对地球的影响进行预报,有效减轻了太阳风暴给人类带来的危害。

◎太阳耀

太阳风如何探测？

太阳风的探测分为遥感探测和局地探测两种。所谓遥感探测,就是使用光学望远镜、射电望远镜等设备遥望太阳风发射出的辐射信号。而局地探测,则是将探测器发射到太空中,让其探测局部地区的太阳风参数。

对于太阳风的遥感探测,早在17世纪就开始了。伽利略是最早使用望远镜进行天文观测的科学家,当他将望远镜指向天空后,获得的第一批重要发现就包括太阳黑子的形态。由于日冕辐射的极紫外等波段信号会被地球大气吸收,因此目前主要的遥感探测都由太空中的探测器来进行。地面上的望远镜虽然也能进行一定的太阳遥感探测,但其产生的探测数据的数量和质量已经赶不上太空中的探测器。

说起对人类认识太阳活动和太阳风贡献最大的一个探测器,当属1995年发射的SOHO探测器。SOHO的工作位置为日地拉格朗日L1点。在这个位置上,地球和太阳的引力共同作用能够使SOHO绕太阳公转的角速度与地球绕太阳公转的角速度保持一致。也就是说,地球绕太阳公转过多少度,SOHO就会转过同样的角度,因此,它始终处于地球和太阳连线上的固定位置,最适合连续不断地监测太阳活动。在低层日冕中,形成太阳风的等离子体能够释放出极紫外波段的辐射信号,SOHO通过极紫外波段的观测可以获取低层日冕的信息。太阳风等离子体在日冕中还会散射太阳光,形成白光日冕。在日食过程中观测到的日冕结构就是白光日冕。SOHO上装备了一种名叫日冕仪的仪器,能够不间断地制造人工日食,使科学家可以通过白光日冕的形态追踪太阳风传播的轨迹。SOHO利用太阳表面的多普勒现象,还能够得到光球层上的磁场分布,利用日震学原理洞悉太阳内部的秘密。SOHO上还装备了光谱观测设备,能够使科学家们更精细地了解日冕中发生的物理过程。

◎SOHO探测器运行轨道示意图

在SOHO之后,人们又陆续发射了两颗STEREO卫星对太阳进行遥感探测。STEREO卫星在进入轨道后,在地球公转方向上,一颗位于地球之前,一颗位于地球之后。随着时间的推移,两颗卫星的距离逐渐增大,这样就可以从不同角度观察太阳上的同一现象,实现更立体的太阳遥感探测。除了极紫外和白光日冕观测仪器外,STEREO还装备了一种名叫“日球仪”的仪器,能够分辨出太阳风暴在距离太阳很远的行星际空间中传播的轨迹,从而帮助科学家更好地研究和预报太阳风暴。2011年,两颗STEREO卫星间的夹角达到了180度,进行了人类历史上首次对太阳360度的同时观测。与SOHO和STEREO相比,2010年发射的SDO卫星在时间和空间上的探测精度得到了进一步提高,帮助科学家获取了更多关于太阳的细节。

◎两颗STEREO 卫星与地球位置示意图

1958年,当帕克教授提出关于太阳风的理论时,不少学者都对太阳风的存在表示怀疑。而最终证实帕克教授的理论的正是卫星的局地探测数据。在1961年和1962年相继发射的美国探测者10号探测器和水手2号探测器都探测到了来自太阳的等离子体流。这种等离子体流在地球附近的速度和密度均和帕克教授预言的相同,且持续向远离太阳的方向传播,从而证明了太阳风的存在。

◎水手2号探测器

◎拉格朗日点示意

在太阳风探测中,日地拉格朗日L1点是一个相当重要的位置。和SOHO同期被发射到L1点的还有ACE探测器。ACE的工作位置虽然和SOHO相同,但装备的却是进行局地探测的仪器。从ACE部署到L1点开始,科学家第一次获得了不间断的太阳风局地探测数据,极大地推动了太阳风和太阳风暴性质的研究。ACE可以测量太阳风的温度、密度等参数,还能测定太阳风流和太阳风所携带磁场的方向和大小。在太阳风中,含量最高的是氢离子,但也有氦离子、铁离子、氧离子等重离子。这些重离子的含量虽然比氢离子少很多,但它们却携带了非常重要的物理信息。当这些重离子离开日冕时,它们的性质便不再发生改变。因此,通过对比局地探测和日冕遥感探测中的重离子性质,科学家可以推测某一时间观测到的太阳风源于日冕中的哪类区域,从而更清楚地认识太阳风的传播演化过程。目前,ACE已经进入超期服役状态,而美国已经发射DSCOVR卫星到L1点,来接替ACE的探测工作。

◎尤利西斯探测

除了地球附近的太阳风局地探测,我们还发射过去往太阳系其他区域的探测器,来探究太阳风的奥秘。例如,1990年发射的尤利西斯探测器,跃出了地球公转所在的黄道面,获得了太阳风在不同纬度的数据。科学家惊奇地发现太阳风在不同太阳活动时期有着不同的空间分布。在太阳黑子较少的太阳活动谷年,高纬度地区是性质几乎均一的快速太阳风,而在低纬度地区则是性质多变的慢速太阳风。快速太阳风过渡到慢速太阳风的过渡区域只有几度宽。而在太阳黑子较多的太阳活动峰年,太阳风则在不同纬度呈现快慢太阳风相互交错的现象,没有平静期那样清晰的结构。

帕克太阳探测器

◎帕克太阳探测

在我们的常识中,距离火堆、炉子这样的热源越远,温度就会越低。太阳释放的能量源于太阳内部的核聚变,从太阳内部到太阳的光球层,温度逐渐降低。然而从光球层到日冕,随着距离的增加,温度非但没有降低,反而飙升到了数百万开尔文。这个现象背后的成因一直困扰着科学家。帕克教授在1958年提出的模型中,太阳风被一只“看不见的手”加热和加速。通过等温假设,帕克太阳风模型中的太阳风从一个“神秘来源”中获得了全部的能量。这只“看不见的手”是为了建立初步物理图景而引入的必要假设。然而进一步的研究一定要具体说明“看不见的手”到底是什么物理过程“,神秘来源”到底来自何处。在几十年中,人们提出了复杂而丰富的理论来解释太阳风的加速加热机制,形成了好几个理论流派,但谁也无法说服谁。造成这个现状的原因是目前对太阳风的局地探测都是在距离太阳较远的地方进行的。在这些地方,太阳风已经完成了加速加热的过程。而对于太阳风的起源地日冕,我们只能通过望远镜遥望,而没有局地探测的数据。

为了能够彻底解决太阳风加热加速机制问题,科学家们提出了一个抵近太阳的探测计划。在这个任务中,一个探测器将运行在环绕太阳的大圆轨道上,逐渐缩短自己与太阳的距离,最终到达日冕加热和太阳风加速过程真正发生的地方,进行局地探测,获得关于太阳风起源的最“鲜活”的探测数据。这个探测器,一开始被命名为“太阳探测器”(Solar Probe),后来又被升级成了“太阳探测器加强版”(Solar Probe Plus)。最后,美国国家航空航天局(NASA)决定以太阳风发现者尤金·帕克的名字命名它,即“帕克太阳探测器”(Parker Solar Probe)。以人名命名的NASA任务不胜枚举,比如哈勃、斯必泽、开普勒、伽利略等,但帕克太阳探测器是目前唯一一个用健在学者的名字命名的探测器。

◎帕克太阳探测器结构

2018年8月12日,帕克太阳探测器由美国的德尔塔Ⅳ型火箭发射升空。升空后,帕克探测器会进入一条环绕太阳的轨道,并在7年的时间里借助水星的引力逐渐缩短与太阳的距离,最终到达距太阳590万千米的位置(相当于从地球到太阳距离的约二十五分之一),与太阳进行一次史上最亲密的接触。为了完成探测任务,帕克探测器上装备了4台科学探测仪器。其中,FIELDS能够对探测器所在位置的电磁场进行测量,ISIS仪器主要对各类离子和电子的性质进行测量,WISPR仪器则对日冕和内日球层进行光学成像测量,而SWEAP仪器则主要对等离子体的密度、温度、速度等性质进行测量。

帕克探测器在太阳附近工作时,承受的太阳辐射是地球附近的500倍。为了使探测器不被太阳“烤熟”,工程师们利用碳复合材料设计了一个保护罩。在工作过程中,这个厚度仅有11.43厘米的保护罩朝向太阳的一面最高温度可达1 400摄氏度左右,但在它的保护下,探测器的工作环境温度仅有29摄氏度,比北京的夏天还要凉快!此外,为了确保安全工作,太阳能电池板采用了可调节朝向的设计。在太阳辐射较强时,太阳能电池板会向后收缩,将更多的部分隐藏在保护罩之后,只露出尖端的一小部分。而当远离太阳时,电池板则又从保护罩后面探出,以提供充足的电力。在太阳能电池板上,装备的由钛合金支撑的水冷系统,还能够及时带走积聚的热量。即便在最严酷的太阳辐射下,水冷系统也能将太阳能电池板的温度保持在150摄氏度左右。

“拥抱”太阳可不是一件简单的事,为了这一旅程,帕克探测器不仅披上了华丽的战衣,它还将跑出有史以来人造飞行器的最快速度——200千米/秒!黄山有一座“始信峰”,曾有文人在那里留下了“岂有此理,说也不信;真正妙绝,到此方知”的感慨。此刻,帕克探测器带着人们对它的期待,正在奔向太阳,希望它传回的数据,也能让空间物理学家们感到“真正妙绝,到此方知”!