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借助帕克探測器:科學家有望破解太陽的一個最大謎團

發布時間:2019-06-09 09:33:21  作者:漫步宇宙  來源:漫步宇宙  閱讀:227

      太陽外層大氣層的溫度為何超過日表?這是最大且歷史最悠久的太陽謎團之一。密歇根州大學的科學家相信他們找到了這個問題的答案。他們認為外層大氣層的加熱機制與在這個區域內來回移動的小磁波有關。他們希望利用美國宇航局的帕克太陽探測器驗證這一理論。
    借助帕克探測器:科學家有望破解太陽的一個最大謎團
      太陽外層大氣層的溫度為何超過日表,科學家至今無法給出一個確切答案
      兩年后,美國宇航局的帕克探測器將成為史上第一艘進入太陽外層大氣層的人造飛船。這一區域的加熱機制與此前在太空中觀測到的其它機制截然不同,是迄今為止最大的太陽謎團之一。密歇根州大學的科學家希望借助帕克太陽探測器驗證他們的理論,即外層大氣層的加熱機制與在這個區域內來回移動的小磁波有關。
    借助帕克探測器:科學家有望破解太陽的一個最大謎團
      帕克探測器的個頭與一輛家用掀背車相當,近距離飛掠太陽時與太陽的“親密度”超過此前的任何人造飛船
      破解太陽外層大氣層的謎團有助于科學家進一步了解和預測太陽天氣。劇烈的太陽天氣事件對地球電網構成嚴重威脅。作為第一步,科學家需要確定外層大氣層的加熱過程從何處開始,又在何處結束。相關理論層出不窮。一旦進入外層大氣層,帕克探測器將直接觀測這一區域的磁場和粒子,以確定何種因素導致外層大氣層升溫。
      密歇根大學氣候與空間學教授、帕克項目首席研究員賈斯汀·卡斯珀指出:“這種過熱的背后是怎樣的物理學現象,我們尚不得知。500年來,這個謎團便一直困擾著我們。兩年后,帕克太陽探測器將最終找到答案。”研究小組的論文于6月4日刊登在《天體物理學雜志快報》上。
    借助帕克探測器:科學家有望破解太陽的一個最大謎團
      按照計劃,帕克觀測任務將持續7年,環繞太陽24周。每次靠近太陽,帕克都會采集太陽風樣本,研究日冕,同時對太陽及周邊區域進行前所未有的近距離觀測
      太陽外層大氣層是一個“優先加熱”的區域。在這個區域,溫度全面上升。更怪異的是,個體元素會被加熱到不同的溫度。一些重離子的溫度達到氫的10倍。如此高的溫度導致外層大氣層膨脹到太陽直徑的數倍,這也就是為什么我們在日食期間看到日冕。卡斯珀表示日冕的加熱謎團困擾了天文學家500多年。
      太陽外層大氣層還存在所謂的“阿爾文磁流波”,在其最外緣和日表之間來回移動。在最外緣,也就是所謂的“阿爾文點”,太陽風的速度超過阿爾文波,阿爾文波不再返回太陽。卡斯珀說:“當你處在阿爾文點下方,你會沐浴在阿爾文波中。帶電粒子被來自四面八方的阿爾文波偏移和加速。”
    借助帕克探測器:科學家有望破解太陽的一個最大謎團
      美國宇航局的Wind探測器,1994年11月1日搭乘德爾塔II型火箭發射升空
      為了估算日表與這個優先加熱區之間的距離,密歇根大學的研究小組對美國宇航局Wind探測器幾十年的觀測數據進行了分析。他們計算了太陽附近的氦升溫在多大程度上被太陽風朝著地球移動過程中包含的的離子對撞沖淡。測算氦溫度衰減允許研究小組計算出外層大氣層外緣與日表的距離。
      卡斯珀指出:“我們分析了所有數據,將其作為一個秒表,以確定太陽風過熱后的時間流逝。因為我知道太陽風的移動速度,因此能夠將這些信息轉化成距離。”計算結果顯示外層大氣層外緣與日表的距離在10到50個太陽半徑之間。由于某些數值只是估計值,不可能得出一個確切結果。
    借助帕克探測器:科學家有望破解太陽的一個最大謎團
      帕克探測器曾在一個真空艙度過7周,模擬在太空中遭遇的嚴酷環境
      最初,卡斯珀并不打斷將他估算的外層大氣層位置與阿爾文點進行比較,但他希望確定是否存在一個在物理上有意義的方位,形成外層大氣層的外邊界。在得知阿爾文點和其它表面隨著太陽活動膨脹和收縮后,他和論文合著者、前密歇根大學博士后克里斯托弗·克萊恩重新進行了分析。分析過程中,他們將目光聚焦逐年變化,而不是考慮整個Wind任務。克萊恩現在亞利桑那州大學任教。
      卡斯珀表示:“讓我感到震驚的是,盡管進行了完全獨立的計算,外層大氣層的外邊界與阿爾文點步伐一致并且是以一種完全可預測的方式。如果將它們疊加在一起,它們會隨著時間的推移做出同樣的舉動。”
    借助帕克探測器:科學家有望破解太陽的一個最大謎團
      帕克探測器的隔熱罩就像是一塊三明治,兩塊碳纖維合成板夾著4.5英寸(約合11.5厘米)厚的輕型碳泡沫芯。為了盡可能多地反射太陽熱量,隔熱罩的向陽面采用了一種特殊的白色涂層
      阿爾文點是否標記外層大氣層的外緣?這個點的下方究竟發生了什么,導致重離子大幅升溫?未來幾年,我們將找到這些問題的答案。帕克太陽探測器于2018年8月發射升空,時年11月與太陽進行第一次見面。近距離飛掠太陽時,帕克探測器與太陽的“親密度”超過此前的任何人造飛船。
      未來幾年,帕克探測器將進一步靠近太陽,直至來到阿爾文點下方。論文中,卡斯珀和克萊恩預測因為外層大氣層的邊界隨著太陽活動的增強不斷膨脹,帕克探測器將于2021年進入太陽的外層大氣層。屆時,美國宇航局將直接從外層大氣層獲取信息,解答長久以來與之有關的所有疑問。
    借助帕克探測器:科學家有望破解太陽的一個最大謎團
      技術人員用激光照射帕克探測器的太陽能電池板,以確定能否形成電流并輸送給飛船
      克萊恩指出:“借助帕克太陽探測器,我們能夠通過本地測算來確定哪些過程導致太陽風加速和特定元素被優先加熱。根據我們在論文中給出的預測,這些過程發生在阿爾文表面下方。這一區域靠近太陽,還沒有一艘飛船造訪過。這意味著這些優先·加熱過程從未進行過直接測算。”
      卡斯珀是帕克探測器太陽風電子、阿爾法粒子與質子(SWEAP)項目的首席研究員。每次與太陽進行親密接觸,SWEAP的傳感器都會捕獲太陽風和日冕粒子,用以測量速度、溫度和密度,為揭示外層大氣層加熱機制的謎團提供線索。
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