太阳物理学家惊奇地发现，日冕的温度竟比太阳表面高出200倍。这种奇特的高温困扰了太阳物理学家许多年，始终未有答案。太空探索时代的开启加快了太阳物理学的发展，而近两年发射的两台探测器更是能以前所未有的距离靠近太阳，甚至飞越日冕收集数据。借助4月的日全食，探测器新收集的数据或许能帮助我们加深对这颗神秘光球的理解。 6park.com
在这篇来自《环球科学》2024年4月新刊中，我们将跟随丽贝卡·博伊尔的讲述，了解新的太阳探测仪器，它们以前所未有的距离靠近太阳，或许能借助4月8日太阳极大期的日全食，为太阳物理学带来全新的见解。



2024年4月8日，北美地区约185千米宽的狭长地带会陷入黑暗。从墨西哥的马萨特兰一直到加拿大的纽芬兰岛，人们会看到一场太阳奇观——圆月滑至太阳前方，遮挡住太阳表面，展示出一顶玫瑰色、蓬松的火焰冠。尽管日全食每隔18个月左右就会发生一次，但多数时间里，只有在海洋或者其他人类难以踏足的区域才能观测到它。而如果错过这次机会，北美地区下次观测到如此壮观的日全食景象，还需要等到20年后的2044年8月23日。 6park.com
面对即将到来的日全食奇观，激动万分的并不只有日食爱好者，科学家同样非常期待。因为日食是研究太阳日冕的最佳途径之一。当月亮遮挡住明亮的太阳时，太阳周围的一圈火环——日冕就能凸显出来。一直以来，日冕都是太阳最神秘的特征之一。起初，天文学家在观察日全食期间的这圈火环时，曾认为它是月球的一种特征：火环很可能是被月球大气层反射的阳光。然而，事实是，月球并没有大气层。这种误解持续了多年，直到1806年，西班牙天文学家何塞·华金·德费雷尔（José Joaquin de Ferrer）发现，这圈火环其实是太阳的一种特征，他用西班牙语中的“corona”（意为“王冠”）一词将这种现象命名为“日冕”（corona） 。 6park.com
如今我们已经知道，日冕其实属于太阳极为炽热的外层大气。这层大气会释放一种神秘的由粒子组成的“风”，这被称为“太阳风”；它偶尔也会释放自身的能量，将日冕的一部分物质喷出，形成日冕物质抛射（coronal mass ejection，CME）。然而，看上去耀眼而清晰的日冕始终是一个巨大的谜团，时至今日，我们仍然没有清楚地理解这种现象发生的过程及其背后的物理机制。 6park.com
在4月8日，有大量天文学家将他们的望远镜对准日冕，希望能借此次观测，拨开笼罩在这种现象上的迷雾。而两台新近发射的太阳探测器也将帮助这些天文学家，因为探测器会从日冕附近，甚至从日冕的内部收集数据。借助这些前所未有地接近太阳的观测仪器，科学家非常期待能从这次日全食中获得新的见解，不管是对于日冕或是有关太阳的其他谜团。如果真能收集到有效的数据，今年应该会成为太阳物理学领域有史以来最激动人心的一年。


2012年11月从澳大利亚观测的日全食事件的合成图像。图片正中央是日全食时刻，两侧则展示了在月亮完全遮住太阳表面之前和之后产生的“钻石环”效应，以及在稍早和稍晚时刻出现的两道细长的“弯月”。

太阳物理的诞生

日全食对太阳观测非常重要。事实上，太阳物理学的诞生就可以追溯到1868年10月的日全食。当时，天文学家才刚开始使用棱镜研究光谱。棱镜可以将太阳光分解为不同的颜色组分，从而揭示恒星的化学组成。太阳的光谱中包含了条形码般的黑线，表明存在诸如氢、钠和铁等元素。两位天文学家在1868年的日食期间，各自独立地捕获了太阳的光谱，他们认为光谱中的一条新线对应着一种新元素——这是在地球外发现的第一个元素。他们将其命名为氦（helium），取自古希腊神话中太阳神赫利俄斯（Helios）的名字。 6park.com
第二年，在另一次日全食期间，美国艾奥瓦州的天文学家在太阳光谱中发现了一个奇怪之处：日冕光谱中有一道明亮的绿线，他们怀疑这对应了一种新的化学元素。于是，他们宣称发现了“冕”这一新元素，它只出现在太阳无比璀璨的粉紫亮晕中。 6park.com
直到70年后，另一位物理学家才真正揭晓了所谓的“冕”元素，它实际上是铁原子被电离13次后的奇异状态，这意味着它拥有的电子数仅为普通铁原子的一半。而只有当铁原子被扔到约有上百万摄氏度高温的恐怖熔炉中，才能达到这种状态。然而，太阳表面的温度仅有约5500摄氏度。这意味着释放光和热的外层日冕，温度竟然比太阳表面高大约200倍。这就像是坐在篝火前，座位上的温度比燃烧着的火堆高200倍那样不可思议。从那时起，科学家就试图理解为什么会出现这样显著的温差。“这也是现代太阳物理学真正的开端，”美国科罗拉多州博尔德西南研究所的太阳物理学家丹·西顿（Dan Seaton）说道，“此前没有人设想过太阳中竟有百万摄氏度量级的高温，甚至还有更热的等离子体存在。这意味着什么？这样的高温又会造成怎样的结果？” 6park.com
用美国芝加哥大学的物理学家尤金·帕克（Eugene Parker）的话来说，这一发现最重要的后果是“一个微不足道的计算”。1958年，帕克发现如果日冕有上百万摄氏度的高温，那根据流体动力学定律计算的结果，能预测日冕一定会持续地发生粒子外向流，而粒子流的运动速度会逐渐超过声速。帕克的这一想法遭遇了不少物理学家的反驳。然而，1962年“水手”二号探测器（Mariner II spacecraft）收集的数据证实，确实存在被称为太阳风的粒子流。科学家至今仍然不能完全理解这种粒子流背后的物理机制。但多亏近几年发射的两架太阳观测仪器，其中就包括一架以帕克命名的太阳探测器，科学家开始有机会触碰到谜题背后的答案。

深入日冕

2018年由美国航空航天局（NASA）发射升空的“帕克”太阳探测器（Parker Solar Probe），是有史以来最为坚固的航天器之一。它的碳复合材料遮阳板厚约11.4厘米，能够承受约1370摄氏度的高温和280万瓦的太阳辐射。铰接式的太阳能电池板可以随着探测器朝向或远离太阳收缩或伸展，以保证自身维持在合适的温度和功率水平。而机身搭载的水冷系统能够从太阳能板吸热，然后将其辐射到宇宙空间中。这架探测器经过精心设计，比人类迄今为止建造的所有探测器都更能接近太阳，可以采集太阳的大气层、风、磁场和光的数据。 6park.com
2021年，“帕克”太阳探测器成为第一架飞越日冕的探测器。此后，它进行了近20次近距离接触太阳的任务。在为期七年的运行时间里，“帕克”将绕行太阳24圈，并利用金星的引力弹弓效应，将自己弹射得更靠近太阳。预定在2024年11月，“帕克”将第七次也是最后一次飞掠金星。令“帕克”太阳探测器掠过太阳表面，并潜入百万摄氏度高温的日冕，是一项狂野、极度冒险且近乎难以置信的尝试，西顿说，“令人惊奇的是，它竟然真的实现了。”对于科学家而言，飞越日冕也意味着太阳物理的一次飞跃。



科学家寄予厚望的第二架探测器，环日轨道器（Solar Orbiter, SolO），是欧洲空间局（ESA）于2020年发射的探测器。它当前正在水星轨道内观测太阳——虽然没有“帕克”太阳探测器距离太阳近，但已经足以用来研究日球层。日球层是太阳向各个方向吹出的带电粒子组成的气泡，它的边界构成了我们太阳系的边缘。环日轨道器是迄今第一个研究太阳未知极区的天文台，因为我们在地球上几乎不可能观测到太阳的极区。 6park.com
自1961年“探险者”10号（Explorer 10）发射以来，共有20多架用于观测太阳的探测器升空，其中就包括“帕克”太阳探测器和环日轨道器。在这些航天器中，有19架仍在工作，同时地面上也有众多用于观测太阳的天文台。很快，其他观测太阳的航天器和探空火箭就将与“帕克”太阳探测器和环日轨道器相伴，在地球大气层及地外空间中，以不同的视角一同观测太阳。NASA计划于2025年4月发射日冕和日球层偏振仪（Polarimeter to Unify the Corona and heliosphere），简称庞奇卫星（PUNCH），它将对新生的太阳风进行三维观测，来了解其在太阳系中产生与扩散的过程。未来的探测器可能会在更高纬度观测太阳，这对制造太阳探测器的工程师而言，将是一项巨大的挑战，但对于日球层物理学家而言，却是一项激动人心的任务。 6park.com
“太阳物理学确实是一门非常年轻的学科，”科罗拉多州博尔德太空系统研究机构（Space Systems Research Corporation）的太阳物理学家莉萨·厄普顿（Lisa Upton）说道，“我们对太阳的大部分认知，都源自太空探索时代开启以后的观测。” 6park.com
太空探索让科学家（更准确地说，他们的机器人“替身”）能近距离地观测太阳。“帕克”太阳探测器距离太阳如此之近，以至于研究人员有时会担心这架探测器的安危。好在到目前为止，它已经承受住了太阳施加的一切考验。在2023年3月12日，一次非常猛烈的太阳爆发活动让科学家担心了好几个小时，那时“帕克”太阳探测器正直接指向太阳。这架探测器的航行轨道距太阳表面只有约850万千米——仅为被“晒焦”的水星的轨道距离的六分之一，这使得它的隔热罩架一直被烘烤着。藏在隔热罩背后的高灵敏度仪器正仔细地收集着太阳外层大气的数据。接着，太阳释放了一场极高速且异常强烈的带电等离子体爆发。而“帕克”太阳探测器所处的位置正好可以穿过它。 6park.com
这次日冕物质抛射（CME）像海浪晃动着船只一样，冲击着附近空间中的探测器，其中就包括“帕克”太阳探测器，以及一台服役已久的太阳和日球层探测器（Solar and Heliospheric Observatory，SOHO）。同一时间，地球上也有超过40个天文台正在进行观测，它们与空间探测器一同为该事件提供了史无前例的研究视场。“我们离太阳如此之近，这次的CME强度也非常大，我们能够通过加速度计的数据看到它，”其中加速度计能够显示探测器的运动和震动情况，美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（APL）“帕克”太阳探测器任务的系统工程师吉姆·金尼森（Jim Kinnison）说道，“此前从未有人看到过这般景象。” 6park.com
CME触发了地球上的空间天气警报，因为这些带电粒子的抛射可能会激发我们这颗行星的高层大气，干扰卫星和无线电通讯。“帕克”太阳探测器见证了CME从产生，到它从太阳表面（或者说光球层）发射，再到它扩散到行星际空间的全部过程。“我们本以为自己已经理解了这些CME的结构，但‘帕克’太阳探测器为我们揭示的细节，远比我们想象的要更复杂，”APL“帕克”太阳探测器项目的科学家努尔·拉奥阿菲（Nour Raouafi）说道，“我们得出的结论是，我们建立的有关CME的所有模型，都不能完整地解释我们看到的一切。”



太阳风的起源

基于NASA和ESA两架太阳探测仪器传来的新数据，科学家发现交缠的磁力线有时会引起某种折返，引发S型波爆发，这一过程能将周围的等离子体抛射出去。科学家认为，这种折返或许有助于慢速太阳风的产生。此后不久，“帕克”太阳探测器团队的科学家确定了磁重联过程还可能引起快速太阳风。拉奥阿菲和同事揭示了快速太阳风的粒子流起源于日冕底部——一种被称为小喷流的小规模等离子体喷流。2023年晚些时候，太阳物理学家还发现，从冕洞发射的粒子流，可能导致了快速太阳风。而慢速太阳风和快速太阳风的区别，或许是磁场结构的不同导致的。 6park.com
如果说太阳风是一场倾盆大雨，那小喷流就像是这场大雨中的每一滴雨珠。小喷流往往出现在一些明亮的区域——在这里，太阳的磁力线会潜入深处，而后重新爆发变得明亮。在磁重联过程、冕洞和小喷流的共同作用下，太阳风能够穿过日冕不断上升，并从太阳引力中逃离，最终形成我们观测到的快速太阳风。“有关太阳，我们依然有一些未解之谜——日冕的异常高温、太阳风如何加速到如此高的速度以及磁场奇怪的大转弯——实际上它们之间都是紧密相关的。”美国密歇根大学的太阳物理学家贾斯廷·卡斯珀（Justin Kasper）说道，“一张更全面的太阳图景正逐渐向我们展开。” 6park.com
太阳形成日冕并不是通过一个简单的过程。一些微小（相对而言）的动力学过程正在驱动着太阳发生更大尺度且更显著的活动，我们可以很容易地观察到这些现象，却对它们不甚了解，西南研究所的太阳物理学家克雷格·德福雷斯特（Craig DeForest）说道。“我认为这些发现能够表明，所有这些现象都是相互关联的，”他说，“科学家一直在这样推测，但是小喷流的发现是确凿的证据，这表明这些小尺度的爆发性事件对于日冕和太阳风的形成非常重要。” 6park.com
然而，也有其他的专家持不同观点。他们认为小喷流的能量并不足以用来加速太阳风，喷出的小喷流可能组成了太阳风的很大一部分，但它们可能不是产生太阳风的根本原因。NASA戈达德航天中心的太阳物理学家朱迪·卡彭（Judy Karpen）说道，“但是在所有这些过程中，磁重联扮演的角色都十分普遍。”不过坎克尔伯格认为，小喷流即使不能产生太阳风，看上去也有足够的能量维持太阳风。小喷流也可能是造成日冕极端高温的原因——这是有关太阳的另一个未解之谜。科学家怀疑，磁重联过程可能会使日冕等离子体过热。与此同时，小尺度现象如小喷流，或者其他相关的被称为纳耀斑的事件，可能也在日冕过热现象中发挥了一定作用。 6park.com
太阳是一台粒子加速器，一个等离子体球，一座可持续燃烧的热核反应堆，一团质量和能量组成的风暴，也是万物的生命之源。我们能够接近它——并且我们也在逐渐理解它——是一件极其美妙的事情。对太阳及其活动的研究将许多学科联系起来，也将我们和其他行星联系在一起。通过了解我们的母星，我们能逐渐了解它在宇宙中的“兄弟姐妹”，也就是其他的恒星，这些恒星往往距离我们太过遥远，以至于无法详细地观测它们。这些研究甚至能帮助我们理解那些恒星的行星，反过来，对它们的研究也可能为我们的太阳带来启示，戈达德航天中心的日球层物理学家C.亚历克斯·扬（C. Alex Young）说道。例如，科学家期望他们有关系外行星系统的研究能够帮助他们理解太阳刚诞生时的样貌，以及它在大约50亿年后接近消亡时的样貌。 6park.com
总的来说，如果我们能了解太阳的本质，我们将能更好地了解我们自己，并能理解我们人类能够存在在地球上的一个关键的物理因素：太阳每天都会升起，且永远都会升起。

本文节选自《环球科学》2024年4月刊《飞越日冕，触摸太阳》一文