观测|帕克走了，但帕克号依然向着太阳前进
来源：科技日报
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帕克号太阳探测器NASA
从人类生存及技术应用的角度来说 ， 对太阳风性质的探究和对日冕物质抛射的预测 ， 是人类进行空间活动的必然需求 ， 也是人类理解生命起源 ， 寻找地外生命的重要基础 。
◎实习采访人员 都 芃
美国著名太阳物理学家尤金·帕克于近日逝世 ， 享年94岁 。
帕克是最早提出并通过数学计算证明“太阳风”存在的天文学家 ， 对太阳物理学研究起到了奠基性作用 。
2018年8月 ， 以帕克命名的太阳探测器发射升空 ， 当时91岁的帕克亲临发射现场观看了此次发射 ， 而这也使得帕克号太阳探测器成为美国国家航空航天局（NASA）历史上第一个以在世科学家命名的探测器 。
如今 ， 帕克走了 ， 但帕克号依然向着太阳前进 。
太阳风理论颠覆人们对太阳大气认知
能够“冠名”太阳探测器 ， 帕克对太阳领域的研究 ， 究竟有着怎样的贡献？上世纪中叶 ， 权威学者查普曼提出的静态太阳大气理论成为当时的主流观点 。 该理论认为 ， 太阳大气一方面受到太阳超高温度下形成的向外膨胀力的作用 ， 另一方面又受到太阳自身引力的作用 ， 两种力实现平衡 ， 形成了太阳大气的静止状态 。
但也有科学家提出了不同看法 ， 1956年德国科学家路德维希·比尔曼通过观察彗星“尾巴”的朝向指出 ， 彗星的一条“尾巴”之所以总是背向太阳 ， 是由于彗星的挥发物受到了太阳上吹来的风的影响 ， 被吹向了与太阳相反的方向 ， 从而形成了彗尾 。
这一学说在当时并未受到广泛认可 ， 美国芝加哥大学教授约翰·辛普森便认为该学说与权威理论相悖 ， 于是他将验证这一假说的任务交给了他的学生——尤金·帕克 。
当时还是研究生的帕克便以查普曼的静态太阳大气理论为基础 ， 进行数学推导 。 但最终得出的结果却令他大为震惊 。 计算结果显示 ， 如果以静态太阳大气为条件 ， 则在距离太阳无穷远的地方 ， 依然存在着巨大的太阳大气压强 。 这个明显矛盾的结果让帕克意识到 ， 查普曼的理论并不正确 。 再加之此前比尔曼提出的假说 ， 帕克认为 ， 太阳大气不是静止的 ， 而是一直处于活跃状态 ， 并持续向外抛出粒子 。 通过计算 ， 帕克指出太阳大气粒子在脱离太阳引力后会不断加速 ， 其在地球附近的速度可达到每秒数百公里 ， 帕克将其命名为太阳风 。
中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地主任邓元勇介绍 ， 帕克的太阳风理论刚发表时便颠覆了人们对静态太阳大气的认知 ， 遭到了当时科学界的普遍质疑 。 但是在1962年 ， “水手2号”探测器在前往金星的过程中 ， 对太阳进行了连续100多天的观测 ， 持续观测到了速度高达400—700公里/秒的带电粒子流 ， 全面证实了太阳风的存在 。 人们终于认可了帕克此前提出的太阳风理论 ， 而帕克也当之无愧成为了太阳风研究的奠基人 。
不仅如此 ， 邓元勇表示 ， 帕克还在太阳磁重联、太阳发电机理论等方面 ， 做出了开创性的工作 。 尤其是他与天文学家斯威特共同提出了斯威特—帕克磁重联模型 ， 首次给出了磁重联定量的数学描述 ， 为此后建立更为严格的磁重联理论奠定了基础 。 而在太阳发电机理论方面 ， 帕克提出的科里奥利力与对流区湍流耦合理论 ， 打破了此前托马斯·考林提出的发电机过程不能最终产生轴对称的磁场 ， 即发电机产生的磁场必须是三维的反发电机理论模型 ， 推动了太阳发电机理论发展；并且他还将太阳发电机理论延伸、拓展到了星系磁场 ， 推动了星系发电机理论的发展 。
研究太阳是开展空间活动的必然需求
帕克是太阳风之父 ， 而帕克号也承担着研究太阳风 ， 尤其是太阳风暴的任务 。 如果说正常状态下的太阳风还称得上是“微风和煦” ， 那么能量大得多的太阳风暴则可以算是“狂风暴雨”了 。 在今年2月初 ， 由太阳风暴引发的地磁暴 ， 便有可能是SpaceX公司的40颗“星链”卫星未能升至预定轨道而宣告报废原因之一 。
太阳的“脾气”阴晴不定、难以捉摸 ， 但也并非完全不可预测 。 邓元勇表示 ， 太阳高能粒子到达地球至少需要数小时 ， 等离子云到达地球则至少需要两三天 ， 所以目前人类已经可以对太阳风暴进行一定的预报 。 但他也指出 ， 仅靠目前的地面装置还无法对太阳风进行更为深入的研究 ， “实际观测的太阳风速度要远大于理论值 ， 它是如何被加速的？太阳风中粒子温度存在各向异性 ， 又是如何形成的？这些重要的问题我们目前都还没有定论 。 ”
而相较于地面设施 ， 帕克号太阳探测器最独特的优势 ， 便是它能够前所未有地接近太阳 。 “它距离太阳最近时仅约9个太阳半径 ， 相较于地面观测缩短了96%的距离 。 ”中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地副研究员宋永亮表示 ， 凭借这一无与伦比的优势 ， 帕克号可以探测到初始太阳风的性质 ， 研究太阳局地日冕磁场和粒子运动的耦合 ， 这是地面及地球轨道探测器所不可比拟的 。
宋永亮认为 ， 从人类生存及技术应用的角度来说 ， 对太阳风性质的探究和对日冕物质抛射的预测 ， 是人类进行空间活动的必然需求 ， 也是人类理解生命起源 ， 寻找地外生命的重要基础 。 而帕克号太阳探测器也将在太阳磁场、等离子体、高能粒子、太阳风性质等方面展开深入研究 ， 帮助科学家加深对太阳活动的认知 。
太阳探测进入“触摸式”时代
2021年12月 ， NASA发布消息称 ， 帕克号太阳探测器已于2021年4月成功穿过太阳外层大气 ， 并对其进行了粒子和磁场采样 ， 这也是人类探测器首次成功进入太阳大气 。
科学家普遍认为 ， 在太阳大气最外层存在着一个阿尔芬临界面 ， 它标示着太阳大气的终结和太阳风的开始 。 根据此前的研究估计 ， 该临界面距离太阳表面在10到20个太阳半径之间 。 穿过这个临界面 ， 便意味着真正进入了太阳大气 。
在此次穿越中 ， 帕克号太阳探测器采取了循序渐进的策略 ， 其首先围绕着太阳“转圈圈” ， 逐步接近太阳大气外层；随后 ， 找准时机以每小时69.2万公里的超高速度飞行至距离太阳表面18.8个太阳半径处；在这里 ， 帕克号检测到了特定的磁场和粒子条件 ， 这意味着帕克号正式进入了太阳大气；随后帕克号又似穿针引线般 ， 反复进出太阳大气 ， 在这一过程中 ， 帕克号发现阿尔芬临界面不是光滑的球形 ， 它的表面有着起伏的峰谷 ， 而将这些峰谷与太阳表面活动联系起来进行研究 ， 可以帮助科学家了解太阳活动是如何影响太阳大气和太阳风的 。
在此次帕克号进入太阳大气之前 ， 距离太阳最近的人造探测器是“太阳神2号” ， 其在1976年时曾抵达过距离太阳4273万公里处 。 而帕克号之所以能够和太阳来个前所未有的“亲密接触” ， 主要得益于其“夹心饼干”结构的隔热罩 。 该隔热罩被安装在探测器面向太阳的一侧 ， 由厚度约为12厘米的碳复合材料制成 ， 具体结构为两块碳纤维面板之间夹着一层厚约11.4厘米的碳复合泡沫材料 。 凭借着这块“夹心饼干”的保护 ， 隔热罩面向太阳的一侧温度高达约1371摄氏度 ， 而隔热罩的另一侧则仅为29摄氏度 。
按照计划 ， 帕克号接下来将在2024年12月 ， 逼近至距离太阳表面约616万公里处 ， 有望再次打破它自己保持的人造探测器靠近太阳的极限距离 。
【观测|帕克走了，但帕克号依然向着太阳前进】用邓元勇的话说 ， 帕克号太阳探测器正将人类对太阳的研究真正推入到“触摸式”时代 。
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