人類飛行器將首次飛進日冕層！NASA發射人類首顆太陽探測器，將破解三大謎團

知識 08-12

飛向太陽的帕克太陽探測器。（來源：NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben）

北京時間8月12日15時31分，在美國佛羅里達的肯尼迪航天中心，帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）搭載於三角洲4號重型火箭發射升空，踏上它史無前例的、與太陽親密接觸的旅程。飛船將穿過太陽的外層大氣，在日冕層收集粒子並進行測量。這次逐日之旅，將為我們揭開太陽的多層謎團。

帕克太陽探測器發射現場圖（來源：NASA）

飛入日冕層

帕克太陽探測器以現代太陽風和磁重聯理論的奠基人、美國科學院院士——尤金·紐曼·帕克(Eugene Newman Parker)的名字命名。「太陽僅僅是宇宙中的初級謎題。」現年91歲的帕克說。因為太陽是一顆我們可以近距離研究的恆星，而了解太陽能夠幫助我們了解更加遙遠的恆星。

紐曼·帕克

發射升空後，它將七次利用金星的引力助推（以及火箭特殊上級結構的加速），成為有史以來飛行速度最快的飛行器。經過6年多的孤獨旅程，2024年12月，它將以每小時69萬千米的最高速度接近太陽，這樣的速度足以讓你在20秒內從紐約飛到洛杉磯。

隨後，探測器將在大約8年內完成24次繞太陽軌道的飛行，屆時與太陽表面的距離將僅有610萬千米，比歷史上任何其他太陽探測器所達到過的距離近至少7倍。由於日冕邊界的範圍可從太陽表面延伸到15到20個太陽半徑（約1030萬到1380萬千米）之間，帕克太陽探測器也將成為首個進入日冕層的飛行器。

探測器接近太陽示意圖。（來源：NASA/JPL/WISPR Team）

從這個有利位置，探測器將使用它的四套儀器來分析太陽粒子、等離子體以及日冕內部的電場和磁場。此次任務，將為我們回答困擾了天體物理學家幾十年的三個問題。

破解三大難題

首先，是什麼機制導致了日冕如此熾熱？太陽是一個熾熱的謎團：熱量產生於太陽的核心處並向外輻射，然而太陽的外部大氣層卻比表面要熱300倍。其表面光球層的溫度不到6000攝氏度，然而日冕溫度可達數百萬攝氏度。這似乎打破了熱力學定律——離火爐越遠，溫度按理說應該越低。但在日冕處，情況卻不一樣。

科學家們猜想，這個問題的答案與太陽磁場有關。美國宇航局戈達德太空飛行中心的天體物理學家由尼古拉·維奧爾（Nicholeen Viall）說，磁場線能夠在光球層（我們認為的太陽表面）儲存和激發能量，並將其釋放到恆星的大氣中。但是，這種能量釋放是如何以及何時發生的仍然是個謎。「如果我們能解決這個問題，」她說，「就解決了一個宇宙通用的基本物理問題。」

等候發射的帕克太陽探測器。（來源：NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman）

探測器的第二個任務是研究太陽風——太陽向太空噴射的大量帶電粒子。這種噴射物能覆蓋整個太陽系，讓所有行星、衛星、小行星和彗星都沐浴在輻射中。探測器將直接穿越太陽風產生的位置，揭秘太陽風產生的神秘過程。帕克於1958年首次提出的太陽風，至今仍然以其違反直覺的行為令科學家們困惑不已。太陽風並沒有隨著與太陽的距離增大而逐漸減弱，實際上，它既能加速，又能從微風習習的狀態轉變成從日冕噴涌而出的、時速數百萬千米的超音速湍流。

（來源：NASA）

令人困惑的太陽風和神秘的日冕是相互聯繫的，維奧爾說：「如果沒有熾熱的日冕，就不會有太陽風。」帕克探測器對日冕和太陽風的近距離觀測或將徹底改變太陽物理學研究領域。關於日冕額外熱量來源的爭論已經持續了幾十年。但科學家達成了一個共識：日冕可能誕生於光球層下面的對流區。太陽的等離子體可以在流經磁場線時產生電流，從而產生更多磁場。這些磁場線有時會纏在一起並最終斷裂，大量能量就以太陽耀斑的形式釋放到周圍的等離子體中。再加上太陽表面發生的一連串小型爆炸（被稱為納米耀斑，每一次的威力都相當於五千萬噸氫彈），或許可以解釋日冕的高溫。

探測器的第三項任務，是研究一種被稱為空間天氣（space weather）的惱人現象。從地球上看，太陽就像一個平靜的發光球體，但實際上它就像一個調皮的孩子，不停地發脾氣。在這些狂怒的時候，我們的恆星偶爾會「打嗝」，向太空中爆發出輻射和等離子體。這些最極端的「打嗝」現象，被稱為日冕物質拋射（CMEs），能夠破壞電網和通信衛星等重要系統，還會用有害劑量的輻射襲擊太空中的宇航員。雖然大部分時候，地球磁場都能保護我們免受太陽暴怒的影響，但這種保護作用有時也會不堪重負。

探測器的測量結果將向我們展示太陽中日冕物質拋射的誕生地點，這可能有助於我們更準確地預測潛在的危險空間天氣事件。約翰斯·霍普金斯大學的帕克探測項目科學家尼基·福克斯（Nicky Fox）說：「我們將能夠把我們所觀測到的太陽上發生的事情轉換成我們在地球上看到和體驗的事情。」