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1.5億公里的恒星，為整個人類的棲息和繁衍提供著足夠的光、熱和能量。但盡管我們已經(jīng)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：為什么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(zhì)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(xiàn)象背后的物理學原理究竟是什么？6月4日，密歇根大學的研究人員在《天體物理學報通信》發(fā)表了最新的研究成果，他們認為這個問題的答案已經(jīng)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”。
帕克太陽探測器于2018年8月發(fā)射升空，在2018年11月與太陽進行了第一次交會——它已經(jīng)比任何其他人造物體都更接近太陽。
而大約在兩年后，帕克太陽探測器將成為第一艘進入太陽周圍區(qū)域的人造飛船，在那片區(qū)域，加熱過程將于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：加熱是由于小的電磁波在那片區(qū)域內(nèi)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(wǎng)構(gòu)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里開始和哪里結(jié)束的——這是一個眾說紛紜的謎題。
一旦進入這個區(qū)域，帕克太陽探測器將能直接測量那里的磁場和粒子，從而確定是什么導致了加熱。
在這片太陽表面以上的“優(yōu)先加熱區(qū)（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(yōu)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(qū)域中的氫的10倍——這比太陽的核心還要熱。
○ 優(yōu)先加熱區(qū)。| 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，這也是為什么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，對于天文學家來說，日冕的加熱之謎已經(jīng)有500多年的歷史了，即使直到上個世紀才發(fā)現(xiàn)它的溫度如此之高。
這個區(qū)域的特征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(nèi)導電流體（比如等離子體）中的小磁波。在加熱區(qū)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：“當你處于阿爾文點以下時，你就處于這片洶涌的波的海洋中?！睅щ娏Ｗ訒驗閬碜运拿姘朔降牟ǘl(fā)生偏轉(zhuǎn)和加速。
為了估算出這種優(yōu)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(shù)十年的觀測結(jié)果。他們研究了氦在接近太陽時所升高的溫度，有多少是由于太陽風在向地球方向傳播時，太陽風中的離子發(fā)生碰撞而被沖掉的。通過觀察氦的溫度衰減，研究人員便可以測量到該區(qū)域外邊緣離太陽的距離。
Kasper說：“我們收集了所有的數(shù)據(jù)，然后把它們視作秒表，計算出自太陽風過熱以來已經(jīng)過去了多少時間。由于我們知道風的速度，因此就能把這個信息轉(zhuǎn)換成距離?！?/span>
這些計算結(jié)果表明，過熱區(qū)的外圍邊緣距離太陽表面大約有10-50個太陽半徑?？雌饋磉@個數(shù)值范圍的跨度很大，但由于目前只能通過估算來猜測這些數(shù)值，因此已經(jīng)無法得到更確切的答案了。
起初，Kasper并沒有想到要將他對這一區(qū)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(chǎn)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后，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(yōu)先加熱區(qū)的邊界和阿爾文點在以完全可預測的模式同步移動，盡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?！?/span>
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○ 從2007年至2016年，阿爾文點和優(yōu)先加熱區(qū)的位置變化。| 圖片來源：[1]
