
NASA帕克太阳探测器(Parker Solar Probe)的艺术家描绘,收集有关太阳的数据
美国国家航空航天局(NASA)的帕克太阳探测器(PSP)取得了第一个科学成果,该探测器是史上最快、也是离太阳最近的人造物体。
PSP最初的成果——四篇论文已在12月4日发表在《自然》杂志上,开始揭开地球恒星的面纱,虽然太阳永远是我们天空中最亮的恒星,但它仍然非常神秘。
与太阳近距离“热吻”
耗资15亿美元的帕克探测器在2018年8月发射,用于研究太阳的内部运作机理。
科学家对解决两个长期存在的难题特别感兴趣:从太阳不断流出来的太阳风如何被加速到超高的速度;为什么太阳的外部大气(也叫日冕)比太阳表面热得多。日冕的温度最高可达110万摄氏度。相比之下,太阳表面温度才6000℃。
PSP通过勇敢的钻入日冕本身来研究这两个问题。探测器每五个月就会接近太阳一次,距离太阳表面只有2400万公里。在太阳炽热的大气中,对离我们最近的恒星——太阳进行前所未有的近距离观察。
在帕克任务之前,离太阳最近的探测距离是4273万公里,这是1976年由Helios 2号飞船在美国和前西德共同努力下完成的一项壮举。
Helios 2还创下了相对于太阳最快的速度记录,每小时246960 km。NASA的朱诺号木星探测器在2016年7月到达木星时达到了265000公里/小时,打破了这一记录。但是现在帕克探测器加冕成为新的“速度之王”。 2018年6月6日,太阳强大的引力将帕克探测器加速至每小时343181 km,创下了最高速度记录。
日冕的环境非常极端,因此帕克探测器配备了重型“铠甲”:11.4厘米厚的碳复合材料护罩,可以保护飞船及其四台有效载荷免受高温和辐射影响。
帕克的四台有效载荷包括:
磁场探测仪——Fields,用于测量电场,磁场和波等。
太阳综合科学探测仪——ISoIS,用于研究在太阳大气层及其外部被加速到高速状态的电子,质子和重离子的特征;
宽视场成像仪——WISPR,用于对日冕和周围环境进行成像;
太阳风电子质子和质子探测仪——SWEAP,用于研究太阳风中最丰富的成分,如电子,质子和氦离子。
这四篇新论文报告了PSP在2018年11月和2019年4月发生的前两次近日点通行证期间观测到的这些仪器。
追踪“慢速”太阳风的来源
一项研究表明, Fields载荷发现了慢速太阳风永远不会超过180万公里/小时。“慢”是一个相对概念,“快速的”太阳风以大约两倍的速度沿轴向移动。
科学家已经知道,快速的太阳风起源于日冕附近的日冕孔,这些地方的外部大气比正常地方凉爽得多,而且稀薄。来自Fields的数据表明,慢风也来自日冕孔,但来自太阳赤道附近较小的太阳风。
Fields还观察到帕克探测器的太阳磁场出现了令人惊讶的逆转:该磁场有时会反转180度,然后在几秒钟或几分钟内再次反转。科学家猜测这些反转可能与某种等离子流有关,这种来回反转现象对太阳风加热问题至关重要。

帕克太阳探测器观察到了折返现象,折返现象是太阳风中的行进干扰,导致磁场向后弯曲
来自于SWEAP的数据表明,这种反转沿着太阳的磁力线在S形曲线中移动,并且这种反转正在使太阳风加速。
ISoIS的数据表明,它所吸收的高能太阳能粒子比预期到达帕克探测器的时间要长,这可能是因为它们沿着S形场线传播的缘故。
ISoIS还检测到多个粒子爆发,这些爆发通常会被地球上的探测器忽略。ISoIS首席研究员,普林斯顿大学的戴维·麦科马斯表示即使在太阳活动低年,太阳也会产生比我们想象的还要小的高能粒子事件。(太阳活动以11年为周期波动,而我们的恒星目前处于太阳活动低年,即太阳活动相对不活跃的阶段。) 这些测量将帮助我们揭开太阳的高能粒子的来源、加速和传输,并最终在将来更好地保护卫星和宇航员。
WISPR为科学家提供了更清晰的太阳、日冕和太阳表面的复杂起伏区域的图片。WISPR的照片为太阳附近的无尘区提供了一些证据,该区域被推测应当存在,但尚未直接观测到。WISPR提供的图像还显示了太阳风的空间变化,这种变化与太阳磁场在其表面上的变化一致,并且揭示了从太阳喷出并构成一部分年轻太阳风小等离子斑点。

宽场成像仪(WISPR)仪器在2018年11月首次接近太阳时拍摄的图像。
好戏还在后头
目前,太阳风的答案还只是其中的一部分,目前尚不清楚电晕如何被如此剧烈地加热。帕克任务团队有足够的时间来填补空白,因为这些新发布的结果仅仅是个开始。该航天器的目标是在2025年之前继续研究太阳,由于金星引力影响,帕克探测器近日点将越来越近。

帕克的近日点时间
帕克探测器的最终工作轨道将距太阳表面仅616万公里,最高速度约为每小时为690000 km。
由于帕克探测器绕太阳的运行轨道越来越短,因此未来近距离观测太阳的机会会越来越多。帕克探测器的轨道周期现在约为150天,任务结束时为88天。

帕克的轨道
这项任务将使帕克任务团队能够在太阳的11年活动周期的各个阶段研究太阳。因此帕克探测器将会收集大量有趣的数据,研究人员将在很长一段时间内都会非常忙碌。
预计帕克任务的数据将加深我们多年来对太阳和太阳风的理解。新的模型和理论将受到帕克成果的启发,并且可推演到宇宙中的其他恒星和天体等。
