探秘：太陽超音速太陽風究竟由何驅動？

自 20 世紀 60 年代以來，這一直是一個長期存在的謎團。太陽的超音速“太陽風”，也就是流入太陽系的高能粒子流，在離開太陽之後是如何繼續獲取能量的？

由於目前兩項研究太陽的航天器任務——一項由美國國家航空航天局（NASA）領導，另一項由歐洲航天局（ESA）領導——相互協同，一項重大突破或許即將到來。

這些發現可能爲幫助科學家更好地預測太陽和地球之間的太陽活動補上關鍵的缺失一環。

最近發表在《科學》雜誌上的一篇論文提供了令人信服的證據，表明最快的太陽風從磁場“折返”，即靠近太陽的磁場中的大幅扭曲中獲取能量。

“我們的研究解決了一個關於太陽風如何獲得能量的巨大開放性問題，並幫助我們瞭解太陽如何影響其環境，最終影響地球，”該研究的共同負責人、史密森天體物理觀測站的博士後研究員耶米·里維拉解釋說。

“倘若這一過程在我們的本地恆星中出現，那麼很有可能爲整個銀河系以及其他星系的恆星風提供動力，並且可能會對系外行星的宜居性造成影響。”

在此之前，美國國家航空航天局（NASA）的帕克太陽探測器發現，折返現象在整個太陽風中是普遍存在的。

帕克探測器在 2021 年成爲了首個進入太陽磁場大氣層的航天器，它觀測到越靠近太陽，折返現象就越發明顯和強烈。

然而，在此之前，一直缺少實驗證據能夠表明這些磁波所貢獻的能量在太陽風中足夠顯著——直到如今。

“大約三年前，我正在做一場關於這些波是多麼迷人的演講，”合著者、天體物理中心的專家邁克·史蒂文斯說。“最後，一位天文學教授站起來說道：‘這不錯，但它們真的重要嗎？’”

要回答這個複雜的問題，需要結合來自兩個不同航天器的觀測結果。帕克號旨在探索太陽的大氣層（日冕），而太陽軌道飛行器任務則在更遠的距離測量太陽風。幸運的是，這兩個航天器在 2022 年 2 月，相隔兩天的時間內，測量到了相同的太陽風流。

這種巧合的排列，讓位於幾乎到達太陽一半距離處的太陽軌道飛行器和靠近太陽磁大氣層邊緣的帕克號能夠提供互補的數據。

“我們最初壓根兒就沒意識到帕克號和太陽軌道飛行器測量的是完全相同的東西。帕克號在太陽附近看到了這種充滿折返波的較慢等離子體，然後太陽軌道飛行器記錄了一個快速的流，它接收了熱量並且波活動很少。當我們將兩者聯繫起來的時候，那可真是一個頓悟的時刻，”合著者、天體物理中心的天體物理學家塞繆爾·巴德曼指出。

阿爾文波——通過等離子體（構成太陽風的過熱物質）傳輸能量——在太陽日冕和太陽風周圍的能量傳遞中起着重要作用。

新的研究表明，以折返形式存在的阿爾文波提供了充足的能量，以解釋在遠離太陽的較快太陽風流中所觀察到的加熱和加速現象。

約翰·貝爾徹是麻省理工學院的名譽教授，他共同發現了太陽風中的阿爾文波這一現象，但未參與當前的研究。

貝爾徹說：“花了半個多世紀才證實，阿爾文波的加速和加熱是重要的過程，並且它們的發生方式跟我們所認爲的大致相同。”

該研究的意義不止於對太陽活動和空間天氣的預測。這些見解將爲宇宙的其他謎團提供線索，包括類太陽恆星的運行和恆星風。

美國國家航空航天局帕克太陽探測器任務的科學負責人亞當·薩博總結道：“這一發現是回答 50 年來關於太陽風如何在日球層最內部加速和加熱這一問題的關鍵拼圖之一，使我們更接近帕克太陽探測器任務的主要科學目標之一。”