准备迎接来自帕克太阳探测器的发现

发布: | 发布时间:2019-01-2,星期三 | 阅读:614

作者:Sarah Frazier   原文来自:NASA   Posted: 2018. 12. 13

编译:Melipal   审校:Linq

在帕克太阳探测器运行到距离一颗恒星创纪录的近距离数周过后,来自第一次太阳飞掠的科学数据刚刚开始传到任务科学家的手中。想一想科学家会如何使用这些前所未见又带着开启太阳物理学新纪元潜能的数据,这理应是众多领域早已期盼多年的时刻。

抵达太阳的帕克太阳探测器的插图。(图片提供:NASA’s Goddard Space Flight Center)

2018年12月12日,4位这样的研究者聚集在华盛顿特区召开的美国地球物理学联合会秋季会议上,分享他们对帕克太阳探测器的期待。

NASA华盛顿总部的太阳物理学部门负责人妮古拉·福克斯(Nicola Fox)说:“为了这样一个任务变为可能,太阳物理学家已经等候了超过60年。我们希图破解的太阳秘密就在日冕中等待着我们。”太阳物理学是研究太阳及其对地球与其他行星邻近空间连同整个太阳系影响的学科。

2018年10月31日到11月11日,帕克太阳探测器完成了第一次遭遇太阳的旅程。期间它从太阳的外层大气——日冕中高速飞过,并使用4台先进的仪器采集了空前的数据。

帕克太阳探测器以尤金·帕克(Eugene Parker)命名。1958年,这位物理学家率先从理论上提出了太阳风(也就是持续从太阳吹出的物质流)的存在。

福克斯说:“这是NASA的探测器第一次以在世人物命名。尤金·帕克革命性的论文预言了日冕和太阳风的加热和膨胀情况。现在凭借帕克太阳探测器,我们可以真正了解将持续的物质流一直吹到日球层边界的原因。”

我们太阳的影响力是很深远的。太阳风(也就是太阳的外流物质)充斥着太阳系的内层区域,塑造出了一个泡状结构,将所有的行星包裹起来,并一直扩展到海王星的轨道之外。在太阳风的高能粒子与太阳物质之中,还裹挟着太阳的磁场。而额外的一次性太阳物质喷发(也就是日冕物质抛射)也会携带着这样的太阳磁场——在这两种情况下,磁化物质都会与地球的天然磁场发生相互作用,并导致地磁暴。地磁暴会诱发极光,甚至是电网停机;而其他类型的太阳活动也会导致通信故障,破坏卫星的电子设备,甚至威胁宇航员的安全——尤其是在地球磁场的保护性泡状区域之外。

太阳的外流物质——太阳风与名为日冕物质抛射的一次性太阳物质喷发一道,都裹挟着太阳磁场在日球层中穿行,并在地球以及其他行星周边产生空间天气现象。点击下载NASA戈达德科学可视化工作室提供的高清视频(图片提供:NASA’s Goddard Space Flight Center/Scientific Visualization Studio/Greg Shirah)

太阳系中的其他天体也会经历自身的类似效应。而在行星轨道之外的远方,太阳物质直面星际介质(充斥在恒星之间的物质)。这一区域的相互作用决定了高能银河宇宙线粒子射入太阳系的频率。所有这些效应都源于复杂的系统,不过都可以被追溯到太阳上面。因此,认识驱动太阳活动的基本物理原则是至关重要的。

帕克太阳探测器的设计目标是回答有关太阳物理的三个重要问题。第一个问题是:太阳的外层大气(也就是日冕)是如何被加热到大约300倍于下方可见表面的温度的?第二个问题,太阳风是如何被迅速加速到我们观测到的超高速度的?最后,太阳能量最高的一些粒子是如何从太阳上以超过光速一半的速度喷涌而出的?

来自马里兰州劳雷尔(Laurel)约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的帕克太阳探测器任务科学家努尔·拉乌菲(Nour Raouafi)说:“帕克太阳探测器正在为我们提供对于解密太阳现象至关重要的测量,这样的现象已经困扰我们数十年了。为了使这种联结闭合起来,对日冕以及新生太阳风的实地采样是必需的,而帕克太阳探测器做的正是这件事情。”

帕克搭载的仪器设计目标就是以空前的方式考察这些待解决的现象,为科学家在太阳大气研究领域大步前进提供机会。

举例来说,WISPR仪器组中的帕克太阳探测器成像仪将获取新生太阳风的全新视角,在探测器从日冕中穿过之时,捕获太阳风演化的图像

而探测器的ISʘIS仪器组则将帮助科学家挖掘高能粒子加速的根源。现在对于太阳高能粒子在高速日冕物质抛射驱动的薄激波结构中的加速情况,各种理论莫衷一是。但探测器在穿越这些激波期间测量的高能粒子信息将帮助我们寻找这个问题的线索。

而探测器的FIELD仪器组配备的电场天线可以捕获射电爆发,这将为日冕加热提供新的线索。

这张由帕克太阳探测器的WISPR(太阳探测器宽视场成像伊的缩写)仪器拍摄的图像展示了日冕中的一条冕流。在2018年11月8日美国东部时间凌晨1时12分(世界时8日早晨6时12分,北京时间8日14时12分),它出现在太阳的东侧边缘处。冕流是太阳大气(也就是日冕)中由太阳物质组成的结构,通常与太阳活动增强的区域有所重叠。这条冕流的精细结构非常清晰,可见其至少存在两条射线状结构。在拍摄这张照片时,帕克太阳探测器距离太阳表面约有1690英里。图片中央附近的明亮天体是水星,而暗斑则是由于背景改正导致的。(图片提供:NASA/Naval Research Laboratory/Parker Solar Probe)

而从探测器绝热罩伸出、全面暴露在太阳环境之下的太阳探测器杯状探测器测量的是太阳峰中不同类型离子的热性质。结合FIELD仪器组的数据,这些测量将帮助我们揭示太阳风加热和加速的机理。

科学小组还期待着被他们了解到的一些东西所惊讶。

拉乌菲说:“直到拿到数据之前,我们并不知道在距离太阳如此近的地方能够看到什么。我们可能也会看到一些新的现象。帕克是一项探索任务,其作出新发现的潜力极大。”

帕克太阳探测器的报告表明,在第一次太阳飞掠期间,它采集了优良的科学数据,而数据本身于12月7日开始传回地球。由于帕克、太阳和地球的相对位置以及这种位置关系对无线电传输的影响,这次飞掠期间的部分科学数据直到探测器在2019年4月完成第二次太阳飞掠之后才能传回地球。

2018年9月,在帕克进行金星飞掠期间,任务小组的确获得了实地测试仪器的机会。帕克太阳探测器近距离掠过了这颗行星,以完成引力助推,让它的轨道更加靠近太阳。虽然人们并未期待帕克能够研究金星周边的环境,但它的仪器却成功记录了数据,让科学家将将一瞥在太空严苛的环境下他们的仪器所能从事的事情。

作为NASA太阳物理学卫星的最新一员,帕克太阳探测器将与多产的太阳与日球层研究卫星一道工作,这些卫星包括NASA的太阳动力学观测台日地关系观测台高新化学组成探测器。数年来,甚至有的是数十年来,这些卫星详细审查着太阳及其外流物,变革着我们观察主星的方式。但是它们受限于自身所在的位置。

不过在帕克揭秘新知的时候,分析这架探测器数据的科学家还需要倚赖NASA其他的太阳物理学卫星来了解这些细节的大背景。

来自马里兰州格林贝尔特(Greenbelt)NASA戈达德太空飞行中心的太阳物理学家特里·库切拉(Terry Kucera)说:“帕克太阳探测器正在前往我们从未涉足的地域。同时我们还可以从远方观测日冕,它正在帕克附近驱动出了复杂的环境。”

这段动画描绘的是NASA的日地关系观测台前导卫星(STEREO-A)获取的真实数据,以及帕克太阳探测器2018年11月第一次飞掠太阳时在太阳外层大气中的轨迹。这样的影像可以让我们获得了解帕克观测所需的关键背景。(图片提供:NASA/STEREO)

对于了解帕克观测的背景来说,这些视角迥异的卫星都是恩惠。SDO处在地球同步轨道上,而STEREO在距离太阳比1天文单位稍近的地方环绕太阳运行(1天文单位等于平均日地间距),因此比地球的运动速度稍快。这意味着STEREO通常观测太阳的视角与地球稍有不同。再结合帕克靠近太阳时进行的测量(其视角也往往与其他卫星不同),这将为科学家提供太阳活动事件在传播进入太阳系期间变化、发展的完整图景。

库切拉说:“STEREO卫星的要点在于从不同的位置观测日球层,而帕克所见的则是日球层的一部分,并在前人未至的地方进行测量。”

帕克太阳探测器将加入到已有的太阳观测卫星中来,为科学家提供观看太阳的另一个新视角。(图片提供:NASA’s Goddard Space Flight Center)

为了全面了解帕克的观测结果,另一个关键工具是建模。

来自加州圣迭戈(San Diego)预言科学公司的研究科学家皮特·赖利(Pete Riley)说:“我们的模拟结果为解释FIELDS、SWEAP等仪器的局域性实地测量以及WISPR拍摄的更宽视场图像提供了一种方法。”

建模是检验太阳内在物理机制理论的好方法。科学家通过建立以某种日冕加热理论(如一类叫做阿尔芬波的等离子体波)为基础的模拟,可以比较模型预言与帕克太阳探测器采集的真实数据,看一看它们是否相符。如果二者的确相符,这就意味着这种理论可能就是实际发生的情况。

赖利说:“我们在预言日全食期间日冕形状方面已经驱动了很多成功。帕克太阳探测器将提供空前的测量,这将进一步限制模型及其内在的理论。”

帕克太阳探测器处在帮助我们改进模型的绝佳位置上——这部分是由于它那创纪录的飞行速度

从地球看去,太阳每27日左右自转一周,而驱动其活动的太阳结构也随之转动。这就为科学家带来了一个问题——他们不能时刻弄清所见的变化究竟是由活动区的真实改变(时间变化)驱动的,还是说只是收到了来自新源区太阳物质的结果(空间变化)。

数值模型为解释帕克太阳探测器的观测提供了全球性的背景。这张动画截取自展示太阳风从太阳流出的一个模型,其上叠加了帕克WISPR仪器的视角。(图片提供:Predictive Science Inc.)

在部分轨道周期内,帕克太阳探测器可以克服这个问题。在某些地方,帕克的运动速度足够快,足以几乎完美地跟上太阳的自转速度,这意味着帕克可以短时间“悬停”在太阳上空的某处。这样科学家就可以确定在此期间数据的变化是由太阳真实的改变(而非自转)所引起的了。

帕克太阳探测器是NASA“与星同在”计划的一部分,该计划旨在探索日地系统中直接影响民生和社会的方方面面。与星同在计划由马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心为华盛顿的NASA科学任务理事会管理。APL设计、建造了帕克探测器,并负责其运营。

点击下载12月12日在2018年美国地球物理学联合会会议期间新闻发布会的相关资料

(全文完)


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