原文 | Miles Hatfield
翻译 | Linvo
历史上的首次，一艘航天器接触到了太阳。NASA的“帕克太阳探测器”已经飞越了太阳的上层大气“日冕”，并在那里对粒子和磁场进行了采样。
这一新的里程碑标志着帕克太阳探测器迈出了重要的一步，也是太阳科学的一大步。就像登月让科学家们了解月球的形成过程一样，接触太阳的组成物质也将帮助科学家们揭示离我们最近的恒星，以及它对太阳系影响的关键信息。
“帕克太阳探测器‘触摸太阳’是太阳科学的一个里程碑时刻，是一个真正了不起的壮举，”华盛顿NASA总部科学任务理事会副局长托马斯·左布臣说到。“这一里程碑不仅让我们对太阳的演化，以及对太阳系的影响有了更深入的了解，同时我们对自己的恒星了解得越多，也让我们更多地了解宇宙中的其他恒星。”
随着它越来越接近太阳表面，帕克的新发现是其他航天器因为太过遥远而无法看到的，包括从太阳风中看到的（太阳风是来自太阳的粒子流，可以影响地球上的我们）。2019年，帕克发现太阳风中的磁“之”字形结构，即“弯折”结构，在太阳附近大量存在。但它们是如何形成的，在哪里形成的，仍然是个谜。从那时起又行进了一半路程，帕克太阳探测器现在已经经过了足够近的距离来确定它们的起源：太阳表面。
第一次穿越日冕以及未来更多次的飞掠，将继续提供那些从远处无法研究现象的数据。
“在如此接近太阳的情况下，帕克太阳探测器现在可以感知太阳大气中磁层的情况，也就是日冕，这是先前从未做到过的”马里兰州劳雷尔市约翰·霍普金斯应用物理实验室帕克项目科学家努尔·拉乌菲说到。“我们在磁场数据、太阳风数据和可视化图像中看到了日冕存在的证据。在日全食的情况下，我们能确切看到探测器穿过日冕结构。”
- 帕克太阳探测器遇到了9个日冕，它飞过了被称为日冕飘带的结构
- 从来没有这么接近过
帕克太阳探测器于2018年发射，其目的是通过比以往任何航天器都更接近太阳的方式来探索太阳的奥秘。三年后，帕克探测器最终抵达这里。
不像地球，太阳没有固态表面。但它确实有一个超热的大气层，由太阳物质通过引力和磁场结合而成。随着温度的上升以及压力的释放，当引力和磁场到达无法束缚的点时，物质开始被推离太阳。
这点被称为Alfvén临界面，标志着太阳大气层的结束和太阳风的开始。携带能量穿过边界的太阳物质随之变成了太阳风，太阳风在穿越太阳系的过程中，把太阳的磁场拖拽到地球以及更远的地方。在Alfvén临界表面之外，太阳风移动得如此之快，以至于风波无法以足够快的速度返回太阳。
直到现在研究人员也不确定Alfvén表面的确切位置。根据日冕的远程图像，估计它距离太阳表面10到20倍太阳半径的样子，也就是430万到860万英里。
帕克的螺旋轨道使它慢慢靠近太阳，距离始终低于20个太阳半径(地球到太阳距离的91%)。如果估计正确的话，它处于跨越边界的位置。
2021年4月28日，在它第八次飞越太阳时，帕克太阳探测器在太阳表面上方18.8太阳半径(约810万英里)处遇到了特定的磁场和粒子情况，这使得科学家知道它第一次穿越了Alfvén关键表面，并最终进入了太阳大气层。
“我们完全预料到探测器迟早会遇到日冕，至少会持续很短一段时间”贾斯汀•卡斯帕说。他是发表在《物理评论快报》上的一篇关于这一里程碑的新论文的第一作者，同时也是BWX技术公司的副首席技术官和密歇根大学教授。“但是我们非常兴奋，我们已经实现了目标。”
这张照片代表了帕克太阳探测器到太阳的距离以及里程碑和发现
- 进入风暴之眼
在飞行过程中，帕克探测器曾多次进出日冕。这证明了一些预测——Alfvén临界表面的形状不是一个光滑的球。相反，它的尖峰和山谷会使表面起皱。探索这些突起和来自太阳表面的太阳活动的关系，可以帮助科学家了解太阳上的事件是如何影响大气和太阳风的。
在某一时刻，当帕克太阳探测器下降到离太阳表面15个太阳半径(约650万英里)以下时，它穿越了日冕中一个叫做伪流光的部分。伪流光是一种巨大的结构，它升起在太阳表面，在日食期间可以从地球上看到。
穿过了这个伪流光后，就像飞进了风暴之眼。在流光内部，环境平静下来，粒子变慢了，折弯也减少了，这与航天器通常在太阳风中遇到的密集粒子相比具有明显的变化。
伪
宇宙飞船第一次发现自己身处一个磁场强到足以支配粒子运动的区域。这些情况是探测器已经通过Alfvén临界表面并进入太阳大气层的决定性证据。在太阳大气层中，这里一切物质的运动都由磁场决定。
首次穿越日冕只持续了几个小时，这是这次任务计划中的其中一次。此后帕克还会继续向太阳靠近，最终到达距离太阳表面8.86个太阳半径(383万英里)的地方。在2022年1月，帕克太阳探测器将迎来下一次飞跃，可能会再次穿过日冕。
“我很高兴看到帕克在接下来的几年里不断穿过日冕，”NASA总部太阳物理学部门主任尼古拉·福克斯说。“会有无数新发现的机会在等着我们。”
日冕的大小也受到太阳活动的影响。太阳的活动周期为11年，被称为“太阳周期”。随着日冕的外围边缘的扩大，帕克太阳探测器将有更大的机会在日冕内停留更长的时间。
“这是一个非常重要的区域，因为我们认为当今所有物理领域都有可能被打开，”卡斯帕说。“现在我们正在进入这个区域，希望开始看到一些物理和行为。”
寻觅褶皱的起源
其实在第一次穿越日冕之前，一些令人惊讶的物理现象就已经展现出来了。在最近与太阳的接触中，帕克太阳探测器收集的数据确定了太阳风中锯齿状结构的起源。数据显示，“折线”产生于太阳的可见表面——光球层。
当到达9300万英里外的地球时，太阳风是一种由粒子和磁场组成的无情的迎头风。但是当它逃离太阳时，太阳风是有着不均匀结构的。20世纪90年代中期，NASA和欧洲航天局（ESA）的“尤利西斯”号任务飞越了太阳两极，在太阳风的磁场线中发现了一些奇怪的S形扭曲。当带电粒子逃离太阳时，它们会以“之”字形的路径绕道而行。几十年来，科学家们一直认为这种偶发的“弯折”现象只存在于太阳的两极地区。
2019年，在距离太阳34个太阳半径的地方，帕克发现“弯折”并不罕见，尤其在太阳风中很常见。这重新引出了新的问题：它们从哪来？是来源于太阳表面吗？还是太阳大气中扭曲的磁场导致的？
发表在《天体物理学杂志》上的新发现，最终证实了太阳表面附近是起源之一。
帕克第六次飞越太阳时，其轨道离太阳更近，不到太阳半径的25倍。数据显示，“弯折”是一块块出现的，而且相比其他元素，来自光球的氦元素的占比更高。当科学家们发现这些块块与来自“超颗粒”的对流单体结构之间的光球的磁漏斗排列在一起时，这种“弯折”的起源进一步明晰了。
除了是“弯折”的诞生地外，科学家们还认为磁漏斗可能是太阳风起源之一。太阳风有两种类型：快的和慢的。这些漏斗可能是快速太阳风中一些粒子的来源。
“曲折区域的结构与日冕底部的一个小的磁漏斗结构相匹配，”加州大学伯克利分校教授斯图尔特·贝尔说，他是这篇新论文的主要作者。“这是我们从一些理论中所期望的，这确定了太阳风本身的来源。”
了解快速太阳风的组成部分在哪里以及如何产生，如果它们与“弯折”有关，那就能帮助科学家揭开一个长期存在的太阳之谜:日冕是如何被加热到数百万度的，远高于它下面的太阳表面。
虽然新的发现确定了“弯折”形成的位置，但科学家们还不能确定它们是如何形成的。有一种理论认为，它们可能是由等离子波产生的，等离子波就像海浪一样滚过这一区域。另一种说法是，它们是由一种被称为“磁重联”的爆炸过程产生的，这个过程被认为发生在磁漏斗聚集的边界处。
“直觉告诉我，随着任务开始更深、更低、更接近太阳，我们将更多地了解磁漏斗是如何与‘弯折’连接的，”贝尔说“希望能解决是什么过程造就了它们。”
现在研究人员知道要寻找什么，帕克的近距离飞行可能会揭示更多关于“弯折”和其他太阳现象的线索。
即将到来的数据将让科学家们看到一个区域，这个区域对于日冕过热和推动太阳风达到超音速至关重要。来自日冕的这种测量对于理解和预测极端空间气象事件至关重要，这些气象事件可能会破坏通信和地球周围的卫星。
“很高兴看到我们的先进技术成功地将帕克太阳探测器带到离太阳更近的地方，还能带来如此令人惊喜的科学，”NASA总部帕克项目主管约瑟夫·史密斯说。“我们期待着在未来几年里看到该任务在更近距离的探索中发现其他东西。”
原文：https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-enters-the-solar-atmosphere-for-the-first-time-bringing-new-discoveries