Nature：太阳的近距离证件照

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2023-12-05 14:12

2022年9月，温度相对较低的等离子体的蛇形扰动一阵阵泛开到整个太阳表面，接着，发生了一场超高温气体的大爆发。来源：ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI Team；鸣谢：Frédéric Auchère, IAS

导读：

对于这颗离我们最近的恒星，研究人员从未获得过如此细致的图像。

Alexandra Witze | 撰文

Nature portfolio | 来源

2022年8月，太阳开始发飙。一串串黑子出现在它脸上，标记出了太阳表面磁场缠结、扭曲的区域。9月初，其中一些黑子已经转到了太阳背面——并释放出了一大波超高温气体。这场巨大的爆发急剧外扩，吞没了一架正在附近绕轨运行、造价15亿美元的航天器。

但是，这架航天器——美国航空航天局（NASA）的帕克太阳探测器（Parker Solar Probe），竟然毫发无伤，甚至还能对吞没自身的太阳风暴进行史无前例的测量。不远处，另一架航天器——欧空局的环日轨道器（Solar Orbiter）目击了全过程。空间探测器从未在离太阳如此之近的位置观测到这么多活动。

无论是这一次，还是近几年来的类似事件，这些探测器的发现都正在相当程度上改写科学家对太阳的认识。这些航天器同时工作，已经观测到了多次大规模太阳爆发、一条在太阳表面蜿蜒前行的磁场“蛇”，以及慢慢在太阳大气中泛开的热量和能量。“我们正在经历这一领域的范式转变。”美国西南研究所太阳物理学家Dan Seaton说。

这些航天器能在这一时刻离太阳这么近实属幸运，因为此时太阳活动正迅速走向其11年周期中的最高潮。目前的太阳活动周期已经强于上一次：2023年6月，太阳表面的黑子有163颗，是近20余年最多的；8月还出现了几次X级耀斑，是可能出现的强度最大的耀斑。

“现在的太阳活动，哪怕不是最强烈的，也一定差不多了。”美国哈佛-史密森天体物理中心（CfA）的太阳物理学家Katharine Reeves说。

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猛烈风暴

太阳风暴会送出一波波能量粒子，这些粒子冲刷地球，可能扰乱通信、切断供电，在两极形成美丽耀眼的极光。2022年2月，航天企业太空探索技术公司（SpaceX）刚发射不久的49颗通信卫星损失了38颗，原因是一场太阳风暴导致地球大气的密度增加，产生了额外的拉力，把这些卫星拽离了轨道[1]。

为更好地了解太阳活动，并预测其对地球的影响，近年来，研究人员建设了各种太阳天文台。其中许多在绕地轨道上，其余的或是置于地日连线上，或是在地日连线之外，以便更充分地了解哪些风暴正在来临。例如，2023年9月印度发射的太阳神-L1号太阳探测器（Aditya-L1 solar observatory）正在朝着处于地日连线之外的一个观测点进发，在那里，它将加入另两个1990年代发射的探测器的行列，监测太阳，从而监测朝地球而来的太阳风暴。

但是，直至2018年帕克太阳探测器发射，以及2020年环日轨道器发射，人类才得以看到地球所在星系的这颗恒星的近距离图像。Reeves说，两个探测器是各自独立设计的，载荷类型也不同，但一起工作的效果不错。帕克太阳探测器沿环形轨道运行，会随时间推移逐渐接近太阳，这使其得以穿过太阳大气，在比以往任何航天器都近的距离测量粒子和磁场。环日轨道器的轨道离太阳更远，但它搭载的高像素相机能拍摄出明亮的太阳耀斑、极小的等离子体喷射结构等太阳的种种细微之处。

2022年2月15日，环日轨道器拍摄的巨型太阳爆发。来源：Solar Orbiter/EUI Team/ESA & NASA

负责运行探测器的人员偶尔还会让两个探测器协同合作。例如，探测器管理员察觉，2022年6月，航天器的相对位置将会尤其有趣。“我们就想，这可值得申请搞个小小的特别行动，于是我们让工程师调转了航天器，因为这样才能正好把帕克太阳探测器纳入的视野。”荷兰欧空局环日轨道器项目科学家Daniel Müller说。于是，环日轨道器调转到了一侧，与帕克太阳探测器共同进行了观测，最后，科学家第一次测量出了太阳从表面到大气层的温度上升速度之快。[2]

正是由于两架航天器的载荷共同配合——以及，它们位于太阳附近不同地方时特别的相对位置——才有了这项新的科学发现。让许多研究人员尤其感兴趣的，是利用这两架探测器追踪太阳爆发的最初数个阶段。这些阶段发生在太阳大气中扭曲的磁场猝然骤变为不同的组态时。磁能的改组往往会导致一大团超高温气体发生巨型爆炸，喷向太空。这些日冕物质抛射到达地球，将导致地磁风暴，可能损坏卫星和电网。

2021年4月，又一次合作观测的机会来临。环日轨道器在向帕克太阳探测器方向运行期间，从太阳背面拍摄了一次物质爆发。数小时内，一波带电粒子就吞没了帕克太阳探测器。帕克太阳探测器进行的测量让科学家得以对此次爆发进行空前细致的追踪，弄清这些爆发如何开始和演进。2023年8月，CfA天文物理学家Tatiana Niembro及其团队报告了这些成果[3]。环日轨道器识别出了太阳发生爆发的具体区域，帕克太阳探测器则在被这次爆发吞没前拍摄了日冕物质抛射的图片——这类测量还是头一回。

2022年9月的太阳爆发更让太阳物理学家兴奋不已，这是有史以来最迅速、能量最大的太阳爆发之一。这场爆发从太阳背面开始，以约2700千米/秒的速度爆发出物质。[4]如果爆发击中地球，可能会导致一场地球磁暴，强度接近史上最剧烈的1859年卡林顿磁暴事件——这场磁暴让低纬度地区也出现了极光，还导致电报装置出了故障。

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蛇与绳

2022年9月5日，在太阳爆发的预备阶段，环日轨道器拍摄到了太阳上一条巨大的蛇形等离子体，它蜿蜒曲折，横跨了相当一部分太阳圆盘。本质上，这种结构是一股温度低于其四周的绳形气体，它沿着一条丝状太阳磁场的轮廓延伸。

科学家认为，此类磁绳与日冕物质抛射有关，因为它们往往就在爆发前出现。不过环日轨道器可以证实这种联系。该探测器展示了这条磁绳在爆发前数小时形成和移动的过程，它以约170千米/秒的速度蜿蜒前行[5]。“这些信息简直太棒了。”英国伦敦国王学院太阳物理学家Lucie Green说，“我们以前从未拍到过这类画面。”

数小时后，这条“蛇”产生的区域爆发了，大爆炸把数十亿吨超高温气体急速送入了太空。这场爆发几乎跟帕克太阳探测器狠狠撞了个正着。工程师把帕克太阳探测器造得能经受这样的爆发，不过在它把报平安信号传回地球前，还是有好几天惴惴不安的日子。

自此，科学家一直在努力分析这次爆发的观测结果，这次爆发是史上测量到的最迅速的一次。“详细信息总量之丰富，复杂程度之高，以及这次爆发的剧烈程度——我们从未见过，简直太震撼了。”美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室太阳物理学家、帕克太阳探测器首席研究员Nour Raouafi说。

其中，帕克太阳探测器观测到，等离子体扫开了路径上的尘埃粒子——这些信息可以帮助太空天气预报员了解在太阳爆发前往地球途中产生影响的力量[6]。根据其测量结果，研究人员还发现，这场爆发在两天内经历了三个阶段，每个阶段都有特定的混合带电粒子和磁场行为[7]。其中两个阶段曾在其它日冕物质抛射中观测到，但第三个阶段——特点是冲刷了航天器的低密度等离子体——与此前观测过的任何东西都不同。

位于美国夏威夷毛伊岛的丹尼尔·井上建太阳望远镜。来源：National Solar Observatory (NSO), AURA, NSF

此外还有第三个太阳测量新生力量，它刚刚开始产出结果。在美国夏威夷毛伊岛，坐落着口径4米的丹尼尔·井上建太阳望远镜（Daniel K. Inouye Solar Telescope），这是世界上最大的太阳望远镜。它于2020年投入使用，但仍在解决各种技术问题，经常离线以供施工。美国国家太阳观测台高级科学家Alexandra Tritschler介绍，每当帕克太阳探测器靠近太阳，井上建望远镜只要能工作，就会进行观测。

去年，为证实相关概念，研究人员安排了时间表，使得太阳上的一块活跃区域在由环日轨道器研究之际，也正好进入井上建望远镜的视野。Müller说，数据仍在分析中，但研究团队希望未来能再进行这样的合作观测。

太阳研究人员希望未来数年能收获一大批新发现。按计划，环日轨道器还将继续运行至少7年，期间它的轨道将更加倾向太阳轨道，这样一来，它俯瞰的就更多是太阳的两极，而不是赤道了。与此同时，帕克太阳探测器距离最近的一次太阳大气层穿越还未到来（将发生在2024年12月）。在那之后，如果NASA决定继续资助这项探测任务，该探测器可能会继续对太阳做更深入的考察。

谈到这两架探测器的配合，Green说，“这是独一无二的。我们可能再也做不到这个水平了。”

参考文献：

1.Berger, T. E. et al. Space Weather 21, e2022SW003330 (2023).

2.Telloni, D. et al. Astrophys. J. 955, L4 (2023).

3.Niembro, T. et al. Front. Astron. Space Sci. 10, 1191294 (2023).

4.Patel, R. et al. Astrophys. J. 955, L1 (2023).

5.Long, D. M. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/2308.14651 (2023).

6.Stenborg, G. et al. Astrophys. J. 949, 61 (2023).

7.Romeo, O. M. et al. Astrophys. J. 954, 168 (2023).

原文以Staring at the Sun — close-up images from space rewrite solar science标题发表在2023年10月25日《自然》的新闻特写版块上，© nature doi: 10.1038/d41586-023-03301-1，原中文标题为“张目对日：太空传来的近距离图像重写太阳科学 |《自然》长文”，《赛先生》获授权转载。

本文由施普林格·自然上海办公室负责翻译。中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。欢迎转发至朋友圈，如需转载，请邮件[email protected]。未经授权的翻译是侵权行为，版权方将保留追究法律责任的权利。

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来源: qq

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