探秘：太阳超音速太阳风究竟由何驱动？

自 20 世纪 60 年代以来，这一直是一个长期存在的谜团。太阳的超音速“太阳风”，也就是流入太阳系的高能粒子流，在离开太阳之后是如何继续获取能量的？

由于目前两项研究太阳的航天器任务——一项由美国国家航空航天局（NASA）领导，另一项由欧洲航天局（ESA）领导——相互协同，一项重大突破或许即将到来。

这些发现可能为帮助科学家更好地预测太阳和地球之间的太阳活动补上关键的缺失一环。

最近发表在《科学》杂志上的一篇论文提供了令人信服的证据，表明最快的太阳风从磁场“折返”，即靠近太阳的磁场中的大幅扭曲中获取能量。

“我们的研究解决了一个关于太阳风如何获得能量的巨大开放性问题，并帮助我们了解太阳如何影响其环境，最终影响地球，”该研究的共同负责人、史密森天体物理观测站的博士后研究员耶米·里维拉解释说。

“倘若这一过程在我们的本地恒星中出现，那么很有可能为整个银河系以及其他星系的恒星风提供动力，并且可能会对系外行星的宜居性造成影响。”

在此之前，美国国家航空航天局（NASA）的帕克太阳探测器发现，折返现象在整个太阳风中是普遍存在的。

帕克探测器在 2021 年成为了首个进入太阳磁场大气层的航天器，它观测到越靠近太阳，折返现象就越发明显和强烈。

然而，在此之前，一直缺少实验证据能够表明这些磁波所贡献的能量在太阳风中足够显著——直到如今。

“大约三年前，我正在做一场关于这些波是多么迷人的演讲，”合著者、天体物理中心的专家迈克·史蒂文斯说。“最后，一位天文学教授站起来说道：‘这不错，但它们真的重要吗？’”

要回答这个复杂的问题，需要结合来自两个不同航天器的观测结果。帕克号旨在探索太阳的大气层（日冕），而太阳轨道飞行器任务则在更远的距离测量太阳风。幸运的是，这两个航天器在 2022 年 2 月，相隔两天的时间内，测量到了相同的太阳风流。

这种巧合的排列，让位于几乎到达太阳一半距离处的太阳轨道飞行器和靠近太阳磁大气层边缘的帕克号能够提供互补的数据。

“我们最初压根儿就没意识到帕克号和太阳轨道飞行器测量的是完全相同的东西。帕克号在太阳附近看到了这种充满折返波的较慢等离子体，然后太阳轨道飞行器记录了一个快速的流，它接收了热量并且波活动很少。当我们将两者联系起来的时候，那可真是一个顿悟的时刻，”合著者、天体物理中心的天体物理学家塞缪尔·巴德曼指出。

阿尔文波——通过等离子体（构成太阳风的过热物质）传输能量——在太阳日冕和太阳风周围的能量传递中起着重要作用。

新的研究表明，以折返形式存在的阿尔文波提供了充足的能量，以解释在远离太阳的较快太阳风流中所观察到的加热和加速现象。

约翰·贝尔彻是麻省理工学院的名誉教授，他共同发现了太阳风中的阿尔文波这一现象，但未参与当前的研究。

贝尔彻说：“花了半个多世纪才证实，阿尔文波的加速和加热是重要的过程，并且它们的发生方式跟我们所认为的大致相同。”

该研究的意义不止于对太阳活动和空间天气的预测。这些见解将为宇宙的其他谜团提供线索，包括类太阳恒星的运行和恒星风。

美国国家航空航天局帕克太阳探测器任务的科学负责人亚当·萨博总结道：“这一发现是回答 50 年来关于太阳风如何在日球层最内部加速和加热这一问题的关键拼图之一，使我们更接近帕克太阳探测器任务的主要科学目标之一。”