太阳轨道器展示太阳风如何获得磁力推动

Josiah01

欧洲航天局的太阳轨道器航天器提供了关键数据，以解答数十年来困扰科学家的问题：加热和加速太阳风的能量来自哪里。太阳轨道器与美国宇航局的帕克太阳探测器协同工作，揭示出驱动这种外流所需的能量来自太阳磁场的巨大波动。
太阳风是一股不断从太阳大气层（称为日冕）逸出的带电粒子流，流经地球。正是太阳风与地球大气层的碰撞引发了天空中色彩斑斓的极光。
“快速”太阳风的移动速度超过 500 公里/秒，相当于惊人的 180 万公里/小时。奇怪的是，这种风离开日冕时的速度较低，因此当它远离太阳时，某种东西会加速它的速度。百万度的太阳风在膨胀成更大的体积并变得不那么密集时自然会冷却下来，就像你爬山时地球上的空气一样。然而，仅从这一影响来看，它的冷却速度比预期的要慢。
那么，是什么提供了加速和加热太阳风中速度最快的部分所需的能量呢？在《科学》杂志上发表的一项新研究中，研究人员利用欧空局太阳轨道器和美国宇航局帕克太阳探测器的数据提供了确凿的证据，证明答案是太阳磁场的大规模振荡，即阿尔文波。
“在这项研究之前，阿尔文波曾被认为是一种潜在的能量来源，但我们没有确凿的证据，”该研究的共同第一作者、马萨诸塞州哈佛和史密森尼天体物理中心的 Yeimy Rivera 说道。
在普通气体（例如地球大气层）中，唯一可以传播的波是声波。然而，当气体被加热到极高的温度（例如在太阳大气层中）时，它会进入一种称为等离子体的带电状态并对磁场作出反应。这使得磁场中形成了称为阿尔文波的波。这些波储存能量并能有效地通过等离子体传输能量。
普通气体以密度、温度和速度的形式表达其储存的能量。然而，对于等离子体，磁场也会储存能量。太阳轨道器和帕克太阳探测器都配备了测量等离子体特性（包括磁场）所需的仪器。
尽管两艘航天器与太阳的运行距离不同，轨道也大不相同，但在 2022 年 2 月，航天器恰好沿着同一束太阳风排列。
帕克号位于日冕最外缘，距离太阳 13.3 个太阳半径（约 900 万公里），它首先穿过了太阳风流。太阳轨道器位于太阳 128 个太阳半径（8900 万公里），一两天后穿过了太阳风流。“这项工作之所以能够进行，是因为两艘航天器的特殊排列方式，它们在从太阳出发的不同阶段对同一条太阳风流进行了采样，”Yeimy 说。
充分利用这种罕见的排列，研究小组比较了两个不同位置的同一种等离子体流的测量结果。他们首先将测量结果转化为四个关键的能量量，其中包括对磁场中储存能量的测量，称为波能通量。
由于能量既不能被创造也不能被毁灭，只能从一种形式转换为另一种形式，因此研究小组将帕克探测器的读数与太阳轨道器的读数进行了比较。他们在有和没有磁能项的情况下进行了比较。
“我们发现，如果不包括帕克的波能通量，我们就无法完全匹配太阳轨道器上的能量，”马萨诸塞州哈佛与史密森尼天体物理中心的联合第一作者塞缪尔·巴德曼说。
在靠近太阳的地方，帕克测量了等离子体流，发现磁场中约有 10% 的总能量。在太阳轨道器上，这一数字下降到只有 1%，但等离子体的加速和冷却速度比预期的要慢。
通过比较这些数字，研究小组得出结论：丢失的磁能为等离子体的加速提供了动力，并通过提供一些自身的热量减缓了等离子体的冷却速度。
数据还显示了被称为折返的磁场结构对太阳风加速的重要性。折返是太阳磁场线的巨大偏转，是阿尔文波的例子。自 20 世纪 70 年代第一批太阳探测器问世以来，人们就发现了这种现象，但自从帕克太阳探测器于 2021 年成为第一艘飞过日冕的航天器并探测到折返以斑块形式汇聚以来，它们的探测率急剧上升。
这项新研究证实，这些折返带中含有足够的能量，可以弥补快速太阳风加速和加热中缺失的部分。
“这项新工作巧妙地将太阳谜题的一些重要部分拼凑在一起。越来越多的太阳轨道器、帕克太阳探测器和其他任务收集的数据向我们表明，不同的太阳现象实际上共同作用形成了这种非凡的磁环境，”欧洲航天局太阳轨道器项目科学家丹尼尔·穆勒说。
而且它不仅仅告诉我们有关太阳系的信息。“我们的太阳是宇宙中唯一可以直接测量太阳风的恒星。因此，我们对太阳的了解可能至少适用于其他太阳型恒星，甚至可能适用于其他有太阳风的恒星类型，”塞缪尔说。
研究团队目前正致力于扩展他们的分析，以应用于速度较慢的太阳风，看看太阳磁场能量是否也在其加速和加热过程中发挥作用。