揭秘太阳大气，“探日勇士”在行动

张唯诚

自伽利略用望远镜观测到太阳黑子以来，人类对太阳黑子和太阳活动的相关规律整整思考了400多年，但很多问题始终没有明确的答案。不过，太空时代来临后，太阳探测器把人类对太阳的研究带到一个开创性的新时代。一批功勋卓著的太阳探测器已经带给了人类有关太阳的丰富知识，这些探测器是科学家们研究和观测太阳的利器，包括“太阳神号”、“太阳峰年卫星”、“太阳和日球层观测台”和“太阳观测卫星”等等，它们在绕日轨道上测量了行星际磁场和太阳风，捕捉了壮观的太阳喷射现象和太阳黑子活动，传回了大量清晰的太阳影像，使人类对太阳的认识有了质的飞跃。

太阳也有自己的大气，其大气由光球层、色球层和日冕层三部分组成。光球层和色球层只有几千千米厚，而最外层的“日冕层”则从太阳的表面一直延伸到冥王星以外的地方。

就像地球大气中有天气变化一样，太阳大气中也有天气变化，且变化频繁。十几亿吨的日冕物质在其中被抛射，高能辐射和太阳风以上百万千米的时速横扫辽阔的空间，太阳系中的每颗行星、小行星和彗星都暴露在它们的冲击之下。这些现象被称为“太空天气”。

太空天气中最狂暴的现象是“太阳风暴”，它是太阳内部巨大能量的极端表现，时常和太阳耀斑“相伴而生“。发生太阳风暴时，太阳表现得非常狂躁，巨大的耀斑、壮观的日珥暴发、大量的日冕物质抛射都将如期而至。极端的太阳风暴会冲击地球上的电网和通讯系统，给人类社会生活造成严重损失，所以研究太阳尤为重要。人们需要了解太阳活动的规律，从而有效地应对和预测恶劣太空天气的发生。 “探日勇士”领命出征 为此，人类对太阳研究和探测的又一个宏伟计划拉开了序幕，这个计划启动于本世纪初，目的是解决与太阳大气相关的问题，人们要发射一组观测太阳大气的探测器，它们布设在太阳周围和日地之间，可从不同的方位观测和研究太阳以及日地之间的空间环境。

这组太阳探测器的“开路先锋”是一艘名为“太阳动力学观测台”的太阳探测器，它于2010年2月奔向太阳，其主要任务是描绘太阳磁图并通过监视太阳表面的震动以探求太阳内部的情况，从而揭秘太阳活动的根源。

“太阳动力学观测台”清晰地观测了太阳大气中的磁力线结构，并从中发现了耀斑和日珥抛射之间的某种联系。当一个耀斑发生时，太阳大气中的磁力线会在激波的扰动下变得不稳定，从而引发一次日珥抛射。了解了这个过程后，人们就可以更好地“揣测”太阳的“脾气”，也便于更准确地发布“太空天气预报”了。

太阳探测器“太阳动力学观测台”

紧随“太阳动力学观测台”之后的是“帕克太阳探测器”，这个探测器原名为“太阳探测器+”，后为纪念预测了太阳风存在的美国天文学家尤金·帕克而被命名为“帕克太阳探测器”。

2018年发射升空的“帕克”是一个耐热的探测器，它的“拿手好戏”是进入太阳大气的深处，并在那里对太阳风和磁场实时采样。

前所未有地靠近太阳

目前，“帕克”正运行在一个椭圆轨道上，大约每5个月就会接近太阳一次。迄今探测器已经完成了4次近距离太阳探测，飞船每次都在距离太阳表面2400万千米的地方飞行，这个距离大约比水星到太阳的距离近2倍。

“帕克”的飞行任务将持续近7年，它要不断地接近太阳，最近时距太阳仅仅大约610万千米，只相当于太阳半径的约9倍的地方。在那里，太阳看上去比我们在地球上看到的大23倍。

“帕克”要收集几十年来一直困扰科學家们的种种神秘现象。科学团队操纵“帕克”穿越来自太阳的稀薄等离子体（带电粒子流），这些科学家希望了解的问题包括“为什么太阳的大气层比太阳表面热数百万度”。他们还想知道穿越太阳系的太阳风，即太阳释放的带电粒子流的动力是什么。

目前“帕克”已经收获了很多惊喜。超级巨浪、浮动磁岛、带电粒子的“骤雨”、“隐形”日冕物质抛射，这就是“帕克”靠近太阳时的所见所闻。 2019年12月4日，相关科学家在《自然》杂志上发表了4篇在线论文，描述了“帕克”在越来越接近太阳时的奇遇，这为人们提供了一个跟随“帕克”近距离感受太阳魅力的机会。

“帕克”的奇遇

在“帕克”与太阳的近距离接触中，射入太空的等离子体冲击着它，整个过程通常持续一两分钟。有时，这些等离子体冲击时的时速高达50万千米，这几乎是正常速度的2倍。在此之前，科学家们从未见过这样的情况。

每次等离子体的冲击波还在探测器周围引发磁场的突然逆转，“帕克”上的指南针会像波浪经过了一般发生旋转，这是太阳磁场造成的，它随着太阳内部流体的搅动而颤动。只是“帕克”感受到的颤动频率非常高，而且非常强烈，科学家们很是惊讶。

当“帕克”接近太阳时，它发现那里的等离子体以比人们预期快得多的速度环绕太阳旋转，数据显示这个速度高达50千米/秒。而此前人们一直认为，这个速度仅为几千米/秒，这大大出乎科学家们的预料。

如此快的速度可能意味着人们必须重新思考太阳以及所有恒星是如何进化的。当恒星风盘旋而去时，它们携带着恒星的旋转能量，会逐渐减缓恒星的旋转速度，所以更快的螺旋风可能意味着恒星旋转减缓的速度比科学家们想象的要快得多。

“帕克”一直忙于感受应接不暇的新鲜事，但同时也没有忘记解决一个旧有的疑问：“缓慢”太阳风的起源。人们了解到，来自太阳的粒子流是两股气流的混合，一股的移动速度是另一股的2倍。研究人员已经证明，快速粒子流的源头在太阳的两极附近，它经由太阳磁场中的漏斗状开口流动，这些开口被称为“冕洞”。现在，“帕克”的探测数据表明，缓慢粒子流来自太阳赤道附近的小冕洞。

“帕克”还记录了来自太阳的高能粒子小爆发，其中大部分是质子。这些爆发可能为更大的粒子波提供了“种子”。有科学家认为，这种“粒子海啸”有时就是太阳风的一部分。

“帕克”还有后继者

“帕克”的下一个大动作是多达18次的太阳环绕飞行。在这个过程中，它要利用金星的引力一点点地接近太阳。从2024年12月开始，“帕克”的最后3次环绕将使它离太阳表面更近，仅仅是以往距离的1/7左右，这对“帕克”的所有特殊保护技术都将是一次考验。

然而“帕克”并不是继“太阳动力学观测台”之后仅有的“后继者”，2020年2月，一艘名为“太阳轨道飞行器”的太阳探测器又出发了。这艘探测器将在距离太阳4200万千米的地方收集数据，它还要对太阳的两极进行观测，这是因为，此前的太阳探测器多数把观测目标放在太阳的赤道和赤道两侧的区域，而对太阳极区的观测则显得不足。科学家们寄希望这艘新太阳探测器能观测更广阔的区域，从而揭开更多的太阳奥秘。

一束密集的太阳等离子流延伸至太空。（“帕克”拍摄）

目前，“帕克”已经发回了很多数据，“太阳轨道飞行器”也将成为“帕克”的有力合作者，而更新的太阳探测器还将陆续飞往太阳，成为太阳探测的生力军。

毫无疑问，太阳是一颗充满奥秘的星球，人类对它的探索会长期持续下去。这是一个规模宏大的工程，必将有众多探测器前赴后继飞往太阳，它们本领高强，不辱使命，是勇敢无畏的“探日勇士”。正因为有了它们，人类了解太阳和日地之间空间环境的步伐才能够前所未有地加速。

一个太阳风暴