原創 | 飛向太陽的「勇士」——Parker Solar Probe衛星

原標題：原創 | 飛向太陽的「勇士」——Parker Solar Probe衛星

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作者：王晶晶

中國科學院國家空間科學中心 空間環境研究預報室

太陽系行星際空間並不是空無一物，而是充滿了超音速的等離子體，觀測表明這些等離子體主要起源於太陽，由太陽向外以很高的速度流動，稱為太陽風。太陽磁場被這些向外流動的等離子體攜帶到行星際空間，形成行星際磁場。這些流體合起來組成了行星際介質。無論太陽是平靜還是「生氣」爆發耀斑、日冕物質拋射(CME)等現象，太陽風是一直向外吹的，行星際介質是一直存在的。背景太陽風主要由冕流低速太陽風和冕洞發出的高速太陽風組成，而以CME為代表的太陽爆發活動進入行星際空間後，會給背景太陽風帶來擾動，形成擾動太陽風。

人類探索宇宙深處的腳步留下了不同位置的太陽風的觀測。1959年，蘇聯LUNIK衛星首次進入行星際空間。1962年，美國宇航局（NASA）的金星探測器Mariner II探測到持續的太陽粒子流。不久之後一系列的實驗實現了對太陽大氣流經地球的詳細測量，儘管有些不是持續的測量。在五次阿波羅（Apollo）登月計劃中，宇航員在太陽風中將金屬箔片展開並帶回實驗室進行研究。當前對太陽風的觀測中，Helios和Voyager飛船分別是離太陽最近和最遠的衛星：1974年發射的Helios-1衛星，軌道最近距離太陽0.31個天文單位（AU），1976年發射的Helios-2衛星，軌道最近距離太陽0.29個天文單位；而Voyager-1在2017年10月已經距離太陽140個AU，仍在前往更遠的地方。探索火星和金星的衛星PVO和Messenger也提供了多個日心距上的太陽風觀測。

在與地球息息相關的日地連線上，有數顆衛星位於地球前方1500萬千米的L1點，提供對太陽風持續不斷的觀測，比如上世紀九十年代發射的ACE衛星、Wind衛星、SOHO衛星和2015年發射的DSCOVR衛星。OMNI資料庫就利用多顆衛星觀測，能提供超過五個太陽活動周的1個AU處太陽風觀測數據，供科學研究和應用。還有一些衛星的觀測可以探索日球層的三維結構，比如從黃道面以外、甚至太陽高緯度區域進行觀測的Ulysses飛船，以及分別位於黃道面上地球軌道的前方和後方的STEREO-A和STEREO-B衛星。

圖1 Ulysses飛船探測的不同年份的太陽風環境(From McComas et al. (2008).)圖中紅色和藍色曲線表明磁場方向

多個空間探測器的觀測表明，太陽風在不同方向的速度和磁場分布並不是均勻的。有的太陽風速度比較快，有的則比較慢，不同快慢的太陽風究竟來自何方，是否太陽上的不同區域產生了不同類型的太陽風？太陽磁場在這裡扮演了什麼角色？太陽風的速度為何這麼快，它裡面的那些粒子是如何從亞音速被加速到超音速的，具體的物理機制是什麼樣的？太陽時時刻刻都在向外吹著太陽風，然而太陽風的起源和演化仍有很多未解之謎。

2018年，將有顆備受科學界矚目的衛星即將發射，進一步去觀測太陽和太陽風。它就是美國宇航局（NASA）的Parker solar probe（PSP）衛星，它是以太陽風科學的先驅Parker命名的，Parker在1958年就預言了太陽風的存在並提出了相關理論，後來的觀測也證實了他的推斷。這是NASA第一次以健在人物命名航天器，可見Parker的偉大。PSP衛星將於2018年發射，在發射93天後，預計就將到達距離太陽0.16個AU，即35.7個太陽半徑處；藉助金星的引力在88-168天內到達距離太陽0.0459個AU，即9.86個太陽半徑，這是人類靠近太陽最近的時候；預計在2018-2025年期間，將在0.25個AU範圍內繞行太陽24圈。為了承受高達1400攝氏度的熾熱和輻射，PSP將帶上厚達12厘米的碳複合盔甲，勇敢地奔向太陽。

圖2 ParkerSolar Probe衛星

PSP的觀測可以追蹤加熱和加速太陽日冕和太陽風的能量流動，研究太陽風源的等離子體和磁場的結構和動力學特徵，探索高能粒子的加速和運動機制。雖然當前科學家認為耀斑和激波是高能粒子加速的主要機制，但在1個AU處的觀測卻無法證實這一點。PSP能近距離觀測到耀斑、日冕物質拋射，以及激波，有助於研究和證實高能粒子加速機制，對太陽爆發活動的研究也具有重要的意義。

圖3 ParkerSolar Probe軌道

圖4近距離探測對太陽爆發活動研究的重要意義

PSP將挑戰更近距離觀測太陽，它的觀測記錄可以回答一些長期以來困擾著天文學家的難題，有助於揭示太陽的運行機制，了解太陽與行星、地球的關係，提高人類預測太空天氣的能力，改善會影響地球生命的主要天氣事件，以及協助太空衛星和宇航員的觀測。

讓我們期待PSP成功飛近太陽，為人類解開更多太陽及太陽風的謎團。

作者：王晶晶中國科學院國家空間科學中心 空間環境研究預報室

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