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派克太阳能探测器的插图。
2018年8月，美国宇航局的帕克太阳探测器发射升空，很快成为有史以来最接近太阳的航天器。借助最先进的科学仪器来测量飞船周围的环境，帕克太阳探测器已经完成了24次计划中的三个通道，这些通道通过了太阳大气中从未探索过的部分电晕。2019年12月4日，《自然》杂志上的四篇新论文描述了科学家从对我们恒星的空前探索中所学到的东西，以及他们下一步的学习希望。
这些发现揭示了有关物质和粒子的行为的新信息，这些物质和粒子的行为远离太阳，使科学家们更接近于回答有关恒星物理的基本问题。为了保护太空中的宇航员和技术，帕克（Parker）发现了有关太阳如何不断喷射物质和能量的信息，这将有助于科学家重写我们用来理解和预测我们星球周围的太空天气并通过以下过程了解过程的模型。哪些恒星被创造和演化。
“来自帕克的第一批数据以新颖而令人惊讶的方式揭示了我们的恒星，”华盛顿美国国家航空航天局总部科学副主任托马斯·祖布琛（Thomas Zurbuchen）说。“近距离观察而不是远距离观察太阳，使我们对重要的太阳现象及其对地球的影响产生了前所未有的见解，并为我们提供了与了解整个星系中活动恒星有关的新见解。在新发现的先驱下，Parker成为太阳物理学的一个令人激动的令人兴奋的时代的开始。”
尽管在地球上对我们来说似乎平静，但太阳绝非宁静。我们的恒星是磁性活跃的，释放出强大的光脉冲，大量的粒子以接近光速的速度运动，并产生数十亿吨的磁化物质云。所有这些活动都影响着我们的星球，向我们的卫星和宇航员飞行的空间注入破坏性粒子，破坏通信和导航信号，甚至在强度很大时也会引发断电。太阳在整个50亿年的生命中一直在发生，并将在未来继续影响地球和太阳系中其他行星的命运。
美国国家航空航天局（NASA）的帕克太阳探测器任务已经返回了太阳附近前所未有的数据，最终导致了2019年12月4日发表在《自然》杂志上的新发现。在这些发现中，人们对太阳不断流出的物质-太阳风的行为有了新的认识。在地球附近可以看到它，它可以与我们星球的自然磁场相互作用，并引起空间天气影响，从而干扰技术。太阳风似乎是一种相对均匀的等离子体流。但是帕克太阳探测器的观测揭示了一个复杂的，活跃的系统，这是地球上看不到的。学分：美国宇航局的戈达德太空飞行中心
“太阳让人类整个生命着迷，”位于马里兰州劳雷尔的约翰·霍普金斯应用物理实验室的帕克太阳探测器项目科学家Nour E. Raouafi说，该实验室负责NASA的建立和管理。“过去几十年来，我们对恒星的了解很多，但我们确实需要像帕克太阳探测器这样的任务才能进入太阳大气层。只有在这里，我们才能真正了解这些复杂的太阳能过程的详细信息。仅在这三个太阳轨道上我们所学到的东西就改变了我们对太阳的了解。”
在太阳上发生的事情对于理解它如何塑造我们周围的空间至关重要。逃逸到太阳的大部分物质是太阳风的一部分，这是不断散布在整个太阳系中的太阳物质的流出。这种被称为等离子体的离子化气体会携带太阳磁场，在整个太阳系中以超过100亿英里的巨大气泡将其拉长。
动态的太阳风
在地球附近观察到，太阳风是相对均匀的等离子体流，偶有湍流。但是到那时，它已经走了9000万英里-而且，太阳加热和加速太阳风的确切机制的特征也消失了。帕克太阳能探测器更接近太阳风的来源，看到了截然不同的图景：一个复杂的主动系统。
加州大学伯克利分校的帕克太阳能探测器FIELDS仪器套件负责人Stuart Bale说：“当我们刚开始查看数据时，复杂性令人惊讶。”“现在，我已经习惯了。但是，当我第一次向同事展示时，他们就被震撼了。”贝尔解释说，从帕克的有利位置到距太阳1500万英里的地方，太阳风比我们在地球附近看到的脉冲风更加不稳定。
像太阳本身一样，太阳风是由等离子组成的，在这些离子中，带负电的电子与带正电的离子分离开来，形成了带有自由电荷的自由漂浮粒子海。这些自由漂浮的粒子意味着等离子体携带电场和磁场，并且等离子体的变化通常会在这些电场上留下痕迹。FIELDS仪器通过测量和仔细分析航天器周围的电场和磁场随时间变化的方式来测量太阳风的状态，并测量附近等离子体中的波。
这些测量结果显示了磁场的快速逆转以及突然，快速移动的材料射流-所有这些特征使太阳风更加湍急。这些细节是了解风如何分散能量的关键，因为风从太阳流向整个太阳系。
一种类型的事件尤其引起了科学团队的注意：在磁场的方向上翻转，磁场的方向从太阳流出，并嵌入太阳风中。当这些反向流动通过Parker Solar Probe时，持续时间从几秒钟到几分钟不等，被称为“折返”。在回切过程中，磁场会自我反射，直到几乎直接指向太阳为止。由密歇根大学领导，由史密森尼天体物理学天文台管理的FIELDS和SWEAP这套太阳风仪器套件共同测量了派克太阳探测器前两次飞越过程中的折返群。
Parker Solar Probe观察到了折返现象-太阳风中的行进干扰导致磁场向自身弯曲-至今尚未解释的现象，可能有助于科学家发现有关太阳风如何从太阳中加速的更多信息。
贾斯汀说：“从太空时代开始，就已经在太阳风中看到了波浪，我们认为离太阳越近，波浪将变得更强，但是我们并不希望看到它们组织成这些连贯的结构化速度峰值”。 Kasper是位于安阿伯市的密歇根大学的SWEAP（太阳能风电子阿尔法和质子的缩写）的首席研究员。“我们正在检测太阳残骸被抛入太空并猛烈改变流动和磁场的组织。这将极大地改变我们关于电晕和太阳风如何被加热的理论。”
折返的确切来源尚不清楚，但是Parker Solar Probe的测量值使科学家能够缩小可能性的范围。
不断从太阳射出的许多粒子中，有恒定的快速移动的电子束，它们沿着太阳的磁场线骑行到太阳系中。这些电子始终严格沿从太阳移出的磁力线的形状流动，而不管该特定区域中磁场的北极是指向太阳还是指向太阳。但是Parker Solar Probe测量了沿相反方向传播的电子流，该电子流向太阳方向翻转-表明磁场本身必须向太阳弯曲，而不是Parker Solar Probe仅仅遇到了与太阳不同的磁场线指向相反的方向。这表明，折返就是磁场中的扭结-局部干扰远离太阳传播，而不是磁场从太阳出现时发生变化。
帕克太阳探测器对转折的观察表明，随着航天器离太阳越来越近，这些事件将越来越普遍。该任务的下一次与太阳的相遇发生在2020年1月29日，它将使飞船比以往任何时候都更靠近太阳，并且可能为这一过程提供新的思路。这些信息不仅有助于改变我们对造成太阳风和周围天气的原因的理解，还有助于我们理解恒星如何工作以及它们如何向环境释放能量的基本过程。
旋转的太阳风
派克太阳探测器的一些测量值使科学家们更接近对数十年历史的问题的答案。一个这样的问题是关于太阳风究竟是如何从太阳中流出的。
在地球附近，我们看到太阳风几乎呈放射状流动，这意味着它直接从太阳直接向各个方向流动。但是随着太阳释放太阳风，太阳旋转。在它破裂之前，太阳风随之旋转。这有点像孩子们在操场上的旋转木马上玩耍–旋转木马的外部旋转时，大气随太阳旋转，但是离中心越远，空间移动速度就越快。处于边缘的孩子可能会跳下来，并在那一点上沿直线向外移动，而不是继续旋转。以类似的方式，在太阳和地球之间存在一些点，就像我们从地球上看到的那样，太阳风从与太阳一起旋转转变为直接向外或径向流动。
确切地说，太阳风从旋转流过渡到完全径向流的地方，对太阳如何释放能量有影响。找到这一点可以帮助我们更好地理解其他恒星的生命周期或原行星盘的形成，年轻恒星周围密集的气体和尘埃盘，最终合并为行星。
现在，Parker Solar Probe不仅第一次看到了我们在地球附近看到的直流，还能够观察到太阳风在旋转的同时。好像Parker Solar Probe第一次直接看到了旋转的旋转木马，而不仅仅是孩子们跳下来。Parker Solar Probe的太阳风仪器检测到从太阳开始超过2000万英里的旋转，并且当Parker接近其近日点时，旋转速度增加了。环流的强度比许多科学家的预期强，但它比预期的更快地转变为向外流动，这有助于掩盖我们通常所处的位置（距太阳约9300万英里）的这些影响。
卡斯珀说：“在初次相遇时看到的太阳风的巨大旋转流真是令人惊讶。”“尽管我们最终希望看到旋转运动更接近太阳，但在这些初次相遇中看到的高速运动却比标准模型所预测的快了近十倍。”
太阳附近的灰尘
另一个难以解决的问题是难以捉摸的无尘区。我们的太阳系充满了尘埃-数十亿年前形成行星，小行星，彗星和其他天体的宇宙碰撞碎片。长期以来，科学家一直怀疑，靠近太阳的尘埃会被强烈的阳光加热至高温，将其转变为气体，并在太阳周围形成一个无尘区域。但是没有人观察到它。
派克太阳探测器的成像仪第一次看到了宇宙尘埃开始稀薄的现象。由于WISPR（由海军研究实验室领导的帕克太阳探测器的成像仪器）从飞船的侧面向外看，因此可以看到大范围的日冕和太阳风，包括更靠近太阳的区域。这些图像显示，尘埃开始在距太阳约700万英里处变稀，并且这种尘埃的减少一直稳定到WISPR在距太阳约400万英里处的当前测量极限。
派克太阳探测器看到遍布我们太阳系的宇宙尘埃（在此处图示）开始在靠近太阳的地方逐渐稀薄，这支持了在太阳附近建立长久以来无尘区的想法。
WISPR套件的主要研究人员Russ Howard说：“这个无尘区是几十年前预测的，但从未见过。WASPR套件的主要研究者-太阳探针的宽视场成像仪的缩写-位于华盛顿特区的海军研究实验室”我们现在正在看到太阳附近的尘埃正在发生什么。
以稀疏的速度，科学家们期望看到一个真正的无尘区，距离太阳约2-3百万英里，这意味着Parker太阳探测器最早可以在2020年观察到该无尘区，这是它的第六次飞越太阳的光芒将使它比以往任何时候都更接近我们的恒星。
将太空天气置于显微镜下
派克太阳探测器的测量结果使我们对两种类型的太空天气事件有了新的认识：高能粒子风暴和日冕物质抛射。
太阳活动加速了微小的粒子（电子和离子），产生了高能粒子风暴。太阳事件可以将这些粒子以接近光速的速度发射到太阳系，这意味着它们在不到半小时的时间内到达地球，并且可以在类似的短时间内影响其他世界。这些粒子携带大量能量，因此它们可能损坏航天器的电子设备，甚至危及宇航员，尤其是在深磁场保护范围之外的太空中的宇航员，并且此类粒子的预警时间短，因此很难避免。
准确地了解如何将这些粒子加速到如此高的速度至关重要。但是，即使它们仅在短短几分钟内就滑向地球，也仍然有足够的时间使粒子失去最初加速它们的过程的特征。通过在几百万英里外的太阳周围鞭打，帕克太阳探测器可以在它们离开太阳后对其进行测量，从而为它们的释放方式提供了新的思路。
派克太阳探测器已经对高能粒子进行了新的观测，就像在这里看到的那样，它们撞击了ESA和NASA的太阳和日球天文台上的探测器，这将有助于科学家更好地理解这些事件是如何加速的。
由普林斯顿大学领导的帕克太阳探测器的IS ParkIS仪器已经测量了一些前所未有的高能粒子事件，这些事件非常小，以至于它们在到达地球或我们的任何近地人造卫星之前都消失了。这些仪器还测量了一种罕见的类型的，具有大量重元素的粒子爆炸，这表明这两种类型的事件都可能比科学家先前认为的更为普遍。
新泽西州普林斯顿大学太阳系综合科学研究中心（ISʘIS）的首席研究员戴维·麦科马斯（David McComas）说：“这是令人惊奇的-即使在最低太阳条件下，太阳也会产生比我们想象的要多的微小的高能粒子事件。” 。“这些测量值将帮助我们阐明太阳高能粒子的来源，加速度和传输，并最终在将来更好地保护卫星和宇航员。”
WISPR仪器提供的数据还提供了有关日冕和太阳风结构的空前细节，包括日冕质量抛射，数十亿吨的太阳物质云团，太阳将它们散发出来进入太阳系。CME可以引发对地球和其他世界的一系列影响，从激发极光到感应电流都可能损坏电网和管道。WISPR的独特视角，与这些事件远离太阳的事件一起，已经为我们的恒星可以释放的事件范围提供了新的思路。
派克太阳探测器的成像仪从航天器的隔热罩后面向侧面看，观察日冕中形成的结构。
霍华德说：“由于帕克太阳探测器正好适应了太阳的自转，所以我们可以连续几天观察物质的流出，并观察结构的演变。”“地球附近的观测使我们认为电晕中的精细结构会形成顺畅的流动，而我们发现这是不正确的。这将有助于我们对事件在太阳与地球之间的传播方式进行更好的建模。”
随着Parker Solar Probe的继续前进，它将以越来越近的距离向太阳提供21种更接近的方法，最终形成三个离太阳表面仅383万英里的轨道。
美国宇航局总部太阳物理部主任尼古拉·福克斯（Nicola Fox）说：“太阳是唯一我们可以仔细检查的恒星。”“从源头获取数据已经彻底改变了我们对自己的恒星和整个宇宙恒星的理解。我们的小型飞船正在残酷的条件下战斗，送回令人震惊和令人振奋的启示。”
派克太阳探测器是NASA的“与星共存”计划的一部分，旨在探索直接影响生活和社会的太阳地球系统的各个方面。星空生活计划由该机构位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心负责，由美国国家航空航天局（NASA）在华盛顿的科学任务委员会负责。约翰·霍普金斯（Johns Hopkins）APL设计，制造和运营该航天器。
