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约翰霍普金斯大学新闻

Behind howls of solar wind, quiet chirps reveal its origins

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有一种风从太阳中散发出来,它不像轻柔的口哨,而是像飓风的尖叫。

太阳风由电子、质子和较重的离子组成,以大约每小时100万英里的速度穿过太阳系,所到之处无一不刮。然而,通过风的轰鸣声,美国宇航局的帕克太阳探测器可以听到细微的唧唧声、吱吱声和沙沙声,这些都暗示着这种神秘而又无处不在的风的起源。现在,约翰·霍普金斯应用物理实验室的团队,为美国国家航空航天局设计、建造和管理帕克太阳探测器的团队,也将首次有机会听到这些声音。

帕克太阳探测器的任务项目科学家Nour Raouafi说:“我们看到年轻的太阳风在太阳周围形成。”“这和我们在地球附近看到的完全不同。”

科学家研究太阳风已经60多年了,但他们仍然对太阳风的许多行为感到困惑。例如,虽然他们知道它来自太阳的百万度的外层大气,称为日冕,但太阳风在离开sun
2时并没有减速,而是加速,而且它有一种内部加热器,使它在急速穿越太空时不会冷却。随着人们对太阳风干扰GPS卫星和扰乱地球电网的能力越来越担忧,有必要更好地了解它。

自探测器发射以来仅仅17个月,已经绕太阳运行了三圈,帕克太阳探测器并没有对它的任务感到失望。

Raouafi说:“我们希望能有重大发现,因为我们正在探索未知的领域。”“我们实际看到的情况超出了任何人的想象。”

Parker Solar Probe in front of Sun
Hot stuff
一个触摸太阳的任务

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研究人员怀疑太阳风中的等离子波可能是太阳风的一些奇怪特性的原因。正如气压的波动会引起风,风会迫使海浪在海洋上翻滚一样,电场和磁场的波动也会导致海浪穿过由电子、质子和其他带电粒子组成的云团,这些带电粒子组成的等离子体从太阳上飞驰而去。粒子可以像冲浪者驾驭海浪一样驾驭这些等离子波,将它们推向更高的速度。

“等离子波肯定在加热和加速粒子方面起了一定作用,”Raouafi说。科学家只是不知道有多少部分。这就是帕克太阳能探测器的用用之处。

宇宙飞船的磁场仪可以窃听由等离子波引起的电磁波动。当波和粒子相互作用时,它也能“听到”,记录下这些等离子波的频率和振幅信息,然后科学家们就可以把它们当作声波来播放。它会产生一些惊人的声音。

以惠斯勒波为例。这是由从太阳日冕中喷发出的高能电子造成的。这些电子沿着远离太阳的磁场线延伸到太阳系最远的边缘,像骑着旋转木马一样绕着它们旋转。当等离子波的频率与电子自旋的频率相匹配时,它们就会相互放大。听起来就像《星球大战》里的场景

“一些理论认为太阳风的加速部分是由于这些逃逸的电子,”菲尔兹团队的成员、科罗拉多大学博尔德分校大气和空间物理实验室的助理教授David Malaspina说。他补充说,电子也可能是了解太阳风加热过程的重要线索。

Malaspina说:“我们可以利用对这些波的观察来反向探测日冕中这些电子的来源。”

另一个例子是弥散波,当它们穿过太阳风时,会从一个频率迅速转移到另一个频率。这些变化产生了一种“唧唧声”,听起来就像风吹过麦克风一样。它们在地球附近很罕见,所以研究人员认为它们不重要。但科学家们发现,在离太阳更近的地方,这些波无处不在。

“没有人知道是什么导致了这些啁啾波,也没有人知道它们是如何加热和加速太阳风的。这就是我们要决定的。我认为这非常令人兴奋。”David MalaspinaFIELDS团队成员

“这些波以前从未在太阳风中被探测到,至少没有大量的发现,”Malaspina解释道。“没有人知道是什么导致了这些啁啾波,也没有人知道它们是如何加热和加速太阳风的。这就是我们要决定的。我认为这非常令人兴奋。”

Raouafi评论说,在离太阳很近的地方观察所有这些海浪活动,是这次任务如此重要的原因。“我们看到了太阳等离子体的早期新行为,我们在地球上无法观察到,我们看到波浪携带的能量在途中的某个地方被消散,从而加热和加速等离子体。”

但是帕克太阳探测器听到的不仅仅是等离子波。飞船上的仪器在穿过一片微尘云时,还捕捉到了一种类似旧电视静电的声音。这种静态的声音实际上是每天都在发生的数百次微观撞击:来自小行星的尘埃被太阳的引力和热量撕裂,彗星上剥离的粒子以接近25万英里每小时的速度撞击宇宙飞船。当帕克太阳探测器在这片尘埃云中巡行时,宇宙飞船不仅撞上了这些微粒,还把它们消灭了。每个粒子的原子分裂成电子、质子和其他离子,形成一个小型等离子体,磁场仪器可以“听到”。

然而,每一次碰撞也会使飞船的一部分脱落。

“这是很容易理解的,”Malaspina说。“我们不知道那里会有多少灰尘。”

APL的工程师利用模型和远程观测来估计在发射前尘埃情况可能有多糟糕。但在这个未知领域,这个数字肯定有一定的误差。

美国总统APL公司的帕克太阳能探测器任务系统工程师詹姆斯·金尼森(James Kinnison)说,这种灰尘密度的差异只是探测器离太阳如此近的另一个原因。

“我们几乎保护了所有的东西不受灰尘的侵害,”金尼森说。他补充说,虽然沙尘的密度比预期的要大,但目前没有任何迹象表明沙尘的影响是这次任务的关注点。

帕克太阳探测器计划再绕太阳运行21圈,通过5次飞越金星来推动自己越来越靠近太阳。研究人员将有机会更好地了解这些等离子波如何改变它们的行为,并建立一个更完整的太阳风演化图。

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标记应用物理实验室,美国宇航局,外太空,帕克太阳探测器

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