两个太阳探测器正在帮助研究人员了解什么现象推动太阳风

文章概述：

太阳产生的恒定等离子体流，即太阳风，是一种由带电气体组成的外向流，包围着我们的太阳系。研究人员一直在努力弄清楚太阳风如何获得足够的能量以达到高速运动。直到现在，一项2024年8月发表的太阳物理学家的研究指出了太阳风推进的新能源来源。

在1958年，物理学家尤金·帕克预测了太阳风的存在。驶往金星的“水手”号航天器在1962年证实了太阳风的存在。自1940年代以来，研究表明太阳的日冕或太阳大气可以升至非常高的温度——超过200万华氏度（或100多万摄氏度）。帕克的工作表明，这种极端温度可能产生足够强大的外向热压力，以克服引力，并导致太阳外层大气逃逸。然而，随着研究人员对地球附近太阳风进行了越来越详细的测量，太阳风科学中出现了一些问题。特别是，他们发现太阳风最快部分有两个问题。首先，太阳风在离开炽热的日冕后仍继续升温，没有解释。其次，即使有了这种额外的热量，最快的风速也没有足够的能量让科学家解释它如何加速到如此高的速度。这两种观察意味着除了帕克的模型之外必须存在一些额外的能源来源。

太阳和其太阳风都是等离子体。等离子体类似于气体，但其中所有粒子都带电并对磁场做出反应。与声波在地球上传播并在空气中输送能量类似，等离子体中有所谓的阿尔文波。几十年来，人们一直预测阿尔文波对太阳风的动力学产生影响，并在太阳风中起重要作用。然而，科学家无法确定这些波是否实际与太阳风直接相互作用，或者它们是否产生足够的能量来驱动太阳风。为了回答这些问题，他们必须在距离太阳非常近的地方测量太阳风。2018年和2020年，美国宇航局和欧洲空间局分别发射了它们的旗舰任务：帕克太阳探测器和太阳轨道器。两项任务都携带了正确的仪器，以在太阳附近测量阿尔文波。太阳轨道器在1个天文单位和0.3个天文单位之间进行探测，比地球稍近一点，比水星稍远一点。帕克太阳探测器则深入更多，它能够靠近太阳五倍太阳直径之处，就在日冕的外边缘。每个太阳直径约为865,000英里（1,400,000公里）。有了这两项任务的合作，研究人员不仅可以检查太阳附近的太阳风，还可以研究帕克看到太阳风的地方和太阳轨道器看到太阳风的地方之间的变化。

在帕克第一次靠近太阳时，它观察到太阳附近的太阳风确实充满了阿尔文波。科学家利用帕克测量了太阳风的磁场。他们注意到，在某些点上，磁力线—或磁力线—振荡得如此之大，以至于它们暂时改变了方向。科学家称这些现象为磁性倒转。通过帕克，他们观察到这些含能的等离子体波动在太阳附近的太阳风中无处不在。我们的研究团队想弄清楚这些磁性倒转是否包含足够的能量来加速和加热从太阳远离的太阳风。我们还想研究当这些磁性倒转放弃他们的能量时太阳风会发生怎样的变化。这将帮助我们确定这些磁性倒转的能量是用于加热风、加速风还是两者兼而有之。

帕克在太阳附近观察到，大约10%的太阳风能量存在于磁性倒转中，而太阳轨道器测量为少于1%。这种差异意味着在帕克和太阳轨道器之间，这种波能已经转化为其他形式的能量。我们进行了一些建模，就像尤金·帕克曾经做过的。我们基于帕克原始模型的现代实现，并将观测到的波能影响纳入这些原始方程式。通过比较两组数据和模型，我们可以明确地看到这些能量既促进了加速，又促进了加热。我们知道它促进了加速，因为在太阳轨道器上，风速比在帕克上更快。我们也知道它促进了加热，因为在太阳轨道器上，风比如果没有这些波而言将会更热。这些测量结果告诉我们，磁性倒转的能量既是必要的，也足以解释太阳风远离太阳时的演变。我们的测量不仅告诉科学家关于太阳风物理学以及太阳如何影响地球的知识，同时也可能对整个宇宙产生影响。许多其他恒星都有吹出它们的物质的恒星风。了解我们本地星的太阳风的物理学也有助于我们理解其他系统中的恒星风。了解恒星风可能告诉研究人员更多有关系外行星的宜居性的信息。