解開太陽物理的最大謎題

人類古往今來就對太陽有各種崇拜和歌頌。這顆距離我們約1.5億公里的恆星，為整個人類的棲息和繁衍提供著足夠的光、熱和能量。但儘管我們已經對這顆維持我們生命的母星進行了深廣的研究，仍然有許多謎題等待被揭開。

在眾多與太陽有關的謎團之中，最大、困擾了我們最久的一個問題是：為什麼太陽的外層大氣比它熾熱的表面溫度還要高？當你遠離熱源時，反而變得更熱？這聽起來確實匪夷所思！在太陽的外層大氣，物質的密度只有太陽表面的是萬億分之一，但是溫度卻有幾百萬度，要知道太陽表面的溫度也只有幾千度而已。

○ 從太陽表面到日冕，溫度從幾千度躍升到了上百萬度。| 圖片來源：[1]

這種現象背後的物理學原理究竟是什麼？6月4日，密歇根大學的研究人員在《天體物理學報通信》發表了最新的研究成果，他們認為這個問題的答案已經被找到。但是，要想驗證他們的想法，還需有一位「勇士」的幫助。這位勇士的名字叫做「帕克太陽探測器」。

帕克太陽探測器於2018年8月發射升空，在2018年11月與太陽進行了第一次交會——它已經比任何其他人造物體都更接近太陽。

而大約在兩年後，帕克太陽探測器將成為第一艘進入太陽周圍區域的人造飛船，在那片區域，加熱過程將於以往在太空中看到的截然不同。這樣，密歇根大學的研究人員就能驗證他們的理論：加熱是由於小的電磁波在那片區域內來回傳播所導致的。

解開這個謎題當然很重要，因為它可以使科學家更好地理解和預測太陽氣象，這對我們來說非常關鍵，因為太陽天氣會對地球的電網構成嚴重威脅。研究的第一步就是確定太陽外層大氣的加熱是從哪裡開始和哪裡結束的——這是一個眾說紛紜的謎題。

一旦進入這個區域，帕克太陽探測器將能直接測量那裡的磁場和粒子，從而確定是什麼導致了加熱。

在這片太陽表面以上的「優先加熱區（zone of preferential heating）」里，溫度整體升高。更奇怪的是，一些單個化學元素會被加熱到不同的溫度，或者被優先加熱。而一些重離子（或帶電粒子）會被過度加熱，直到它們的溫度是這個區域中的氫的10倍——這比太陽的核心還要熱。

○ 優先加熱區。| 圖片來源：[1]

如此高的溫度會導致太陽大氣膨脹到比太陽直徑高出許多倍的大小，這也是為什麼我們在日食期間能看到日冕擴大的原因。密歇根大學氣候與空間科學教授Justin Kasper是帕克任務的首席研究員，他表示，從這個角度來講，對於天文學家來說，日冕的加熱之謎已經有500多年的歷史了，即使直到上個世紀才發現它的溫度如此之高。

這個區域的特徵是在它的最外層邊緣和太陽表面之間，來回回蕩著磁流「阿爾文波（Alfvén waves）」。在最外層的邊緣（被稱為阿爾文點），太陽風的速度比阿爾文速度更快，因此阿爾文波便無法再返回到太陽。

○ 阿爾文波是磁場內導電流體（比如等離子體）中的小磁波。在加熱區的邊緣，太陽風（從太陽釋放出的帶電粒子流）移動的足夠快，使阿爾文波無法回到太陽。| 圖片來源：[1]

Kasper說：「當你處於阿爾文點以下時，你就處於這片洶湧的波的海洋中。」帶電粒子會因為來自四面八方的波而發生偏轉和加速。

為了估算出這種優先加熱停止的位置，研究小組檢查了NASA的風航天器（Wind spacecraft）對太陽風進行的數十年的觀測結果。他們研究了氦在接近太陽時所升高的溫度，有多少是由於太陽風在向地球方向傳播時，太陽風中的離子發生碰撞而被衝掉的。通過觀察氦的溫度衰減，研究人員便可以測量到該區域外邊緣離太陽的距離。

Kasper說：「我們收集了所有的數據，然後把它們視作秒錶，計算出自太陽風過熱以來已經過去了多少時間。由於我們知道風的速度，因此就能把這個信息轉換成距離。」

這些計算結果表明，過熱區的外圍邊緣距離太陽表面大約有10-50個太陽半徑。看起來這個數值範圍的跨度很大，但由於目前只能通過估算來猜測這些數值，因此已經無法得到更確切的答案了。

起初，Kasper並沒有想到要將他對這一區域位置的估計值與阿爾文點進行比較，但他想知道，這個邊界是否是由太空中的一個具有物理意義的位置所產生的。當他了解到阿爾文點和其他一些表面與太陽活動的擴張和收縮有關之後，他和另一位合作者Kristopher Klein重新分析了他們的計算，他們不再考慮整個風航天器的任務，而是關注年復一年的變化。

Kasper說：「令我震驚的是，優先加熱區的邊界和阿爾文點在以完全可預測的模式同步移動，儘管對它們的計算是獨立進行的。如果把它們的圖形疊加，就會看到它們隨著時間的推移在做著完全相同的事。」

○ 從2007年至2016年，阿爾文點和優先加熱區的位置變化。| 圖片來源：[1]

那麼加熱區的外圍邊緣是否是由阿爾文點標記的呢？而且在阿爾文點之下，到底是什麼發生了變化從而過度加熱了重離子？我們或許很快就會知道答案。

在未來的幾年裡，帕克會越來越接近太陽，直到它落到阿爾文點以下。在論文中，Kasper和Klein認為，由於這一邊界會隨著太陽活動的增加而擴大，因此他們預測帕克會在2021年才進入優先加熱區。然後，NASA就能直接從源頭獲得信息，來回答各種已經困擾多時的問題。

○ 約兩年後，帕克太陽探測器將進入阿爾文點的範圍內。| 圖片來源：[1]

Klein說：「有了帕克太陽探測器，我們將能夠通過進行局部測量來確定是什麼過程導致了太陽風的加速，以及某些元素的優先加熱。這篇論文的預測是這些過程發生在阿爾文表面以下，這是一個還沒有任何航天器到訪過的區域，它離太陽很近，這意味著我們從未直接測量過這種優先加熱過程」。

Kasper是帕克太陽探測器上的太陽風電子阿爾法和質子（SWEAP）研究的首席研究員。在每次與太陽的相遇中，SWEAP的感測器都會收集太陽風和日冕粒子來測量速度、溫度和密度，並最後揭示出加熱之謎。

參考鏈接：

[1] https://news.umich.edu/solving-the-suns-super-heating-mystery-with-parker-solar-probe/

[2] https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab1de5

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