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Dec. 17 2019

探測器急速俯衝,揭露太陽奧祕

  • 在這幅插圖中的帕克太陽探測器正接近太陽。這艘於2018年發射的太空船,現在成了有史以來最接近太陽的人造物體。ILLUSTRATION BY NASA/JOHNS HOPKINS APL/STEVE GRIBBEN

    在這幅插圖中的帕克太陽探測器正接近太陽。這艘於2018年發射的太空船,現在成了有史以來最接近太陽的人造物體。ILLUSTRATION BY NASA/JOHNS HOPKINS APL/STEVE GRIBBEN

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帕克太陽探測器(Parker Solar Probe)的初步結果不但為我們奧祕的恆星提供了新線索,還帶來了一些出人意表的新發現。

在這幅插圖中的帕克太陽探測器正接近太陽。這艘於2018年發射的太空船,現在成了有史以來最接近太陽的人造物體。ILLUSTRATION BY NASA/JOHNS HOPKINS APL/STEVE GRIBBEN

在這幅插圖中的帕克太陽探測器正接近太陽。這艘於2018年發射的太空船,現在成了有史以來最接近太陽的人造物體。ILLUSTRATION BY NASA/JOHNS HOPKINS APL/STEVE GRIBBEN

數十億年來,太陽一直將它的奧祕隱藏在稱為「日冕」(solar corona)的能量漩渦之中。日冕是由上百萬度的炙熱磁​​化電漿組成,溫度極高,偶爾也非常狂暴,先前一直未曾有太空船冒險前往探索──直到現在。

12月4日出刊的《自然》(Nature)期刊發表了四篇研究論文,報告美國太空總署(NASA)帕克太陽探測器傳回的首批數據。這項史無前例的太空任務目前已三度接近太陽,成為有史以來距離太陽最近的太空船,並觀測日冕的相關數據。這樣的近距離接觸,解決了一些和太陽有關的謎團,也揭露了意想不到的珍貴發現。

「帕克太陽探測器完成了其它太空船從未實現過的成就,」美國國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research)的莎拉.吉布森(Sarah Gibson)表示,「我迫不及待地想看看下一步會發生什麼事,它真的傳送了許多很有價值的訊息。」

↑↑↑↑↑101科學教室:太陽

這樣的近距離觀測將解開太陽物理學的基本難題,並幫助我們更準確地預測朝向地球而來的有害太陽爆發。這些稱為日冕巨量噴發(coronal mass ejection)的危險高能粒子團,會帶來炫目的極光,甚至往南延伸到中緯度的天空,但它們也會使通訊衛星失靈、癱瘓電網,甚至是讓太空人有致命性的危險。

「提到來自太空的風險,人們經常想到的是導致恐龍滅絕的流星,」研究論文的作者、普林斯頓大學(Princeton University)的大衛.麥科馬斯(David McComas)表示,「不過如果你遭遇一次極端的太空天氣事件,導致大量技術設備摧毀,那對現在的我們來說會是個更大的風險。」

近距離觀測太陽的任務

帕克太陽探測器是在2018年8月發射,並於同年11月首度飛掠太陽。在它七年的任務期間,帕克太陽探測器將會飛掠太陽24次,而且每一次都比之前還要更加接近,直到最後到達距離太陽表面640萬公里之處。

 

「太陽風的速度如此快速,從我們身邊飛過的這個東西非常猛烈,實際上在不到一秒的時間裡就把磁場翻轉了180度,」。卡斯伯說,「我們的第一個問題是,這到底是什麼東西啊?」

帕克太陽探測器在前兩次的飛越太陽的過程中,可能遇到了上千個這樣的磁波。以局部範圍來說,這些波非常巨大,但若是從地球上觀察,卻又太小而無法探測到。這種磁波會持續幾秒到幾分鐘,使正常的指南針無法運作,而且沒有明顯的來源。

研究團隊把這樣的特徵稱為「折返」(switchback)。有些科學家認為,如果這些波在貯存能量,那麼它們可能在讓日冕變得極端高溫的過程中發揮了作用。不過,目前還不清楚是什麼機制產生了這樣的特徵,也不知道當探測器更接近太陽時,這些磁波是否會變得更強大或是更多。

同樣令人困惑的是太陽風的橫向速度。太陽每24.5個地球日會繞著自轉軸旋轉一圈,在旋轉的過程中,所吹出的大量粒子也會跟著一起轉動。因此當太陽風抵達地球時,會以放射狀前進,或者說像是旋轉的草坪灑水器噴出的水那樣向外流動。

這種說法有些道理。不過,當帕克太陽探測器低空飛掠太陽的南半球時,測量了太陽風的旋轉速度,發現太陽風在這麼遠的距離繞太陽旋轉的速度,比我們所預料地還要快得多。

「太陽風的實際旋轉速度,比依照標準太陽模型和旋轉速度所預測的還要快上20倍,」卡斯伯說,「我們忽略了一些有關日冕和太陽風的非常基本知識。」

速度極快的恆星風會影響恆星的演化速度。新生的恆星轉速非常快,但會在億萬年的時間裡逐漸減速,並以恆星風的形式損失能量。雖然我們太陽的燃燒速度看起來並沒有比預期的快,但這些怪異快速的太陽風暗示,我們恆星的自轉速度可能會隨著年齡而更快地減速。

更直接地是,這麼驚人的旋轉速度也可能影響我們對日冕巨量噴發的軌跡和抵達時間的預測。這種太陽風暴可能會癱瘓地球上的電網。

「在一般的狀況下,日冕巨量噴發往往朝著我們預料之外的方向移動……如果有大規模的橫向運動,這可能是我們對日冕巨量噴發的預測還不夠精準的重要原因,」卡斯伯表示,「我不會說我們在這方面很糟糕,但的確不是太厲害。」

無塵區

隨著帕克太陽探測器的任務持續進行,勢必會帶來更多的驚喜。首先,探測器即將探測到科學家一直認為在太陽周圍一個應該存在、但卻未曾觀測到的區域,那裡溫度極高,因此「沒有塵埃可以存在」,研究論文的作者──海軍研究實驗室(Naval Research Laboratory)的羅素.霍華德(Russell Howard)這麼說。自1928年以來,科學家就預測了無塵區的存在,但卻一直未曾觀測到。即使是在日食期間,地球上較容易觀測到接近太陽的環境時也是如此。

隨著太陽活動從11年來的極小期開始活躍起來,科學家們預計這次任務將會愈來愈刺激。研究團隊希望最後帕克太陽探測器能夠探測到大量的日冕巨量噴發。當太陽從沉睡中甦醒之時,日冕巨量噴發發生的機率就會愈來愈大。

「我們希望能看到太陽所產生最強、最快的日冕巨量噴發,」約翰.霍普金斯應用物理實驗室(Johns Hopkins Applied Physics Laboratory)的計畫科學家努爾.拉瓦菲(Nour Ra​​ouafi)這麼說「拜託,放馬過來吧!」

 

延伸閱讀:太陽風暴有多危險,竟和你家蓋在什麼岩石上有關? / 太陽風暴引發令人驚歎的極光,觀看祕訣就在這!

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