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(gè)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(jìn)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(guān)的謎團(tuán)之中，最大、困擾了我們最久的一個(gè)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(dāng)你遠(yuǎn)離熱源時(shí)，反而變得更熱？這聽起來確實(shí)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(xué)原理究竟是什么？6月4日，密歇根大學(xué)的研究人員在《天體物理學(xué)報(bào)通信》發(fā)表了最新的研究成果，他們認(rèn)為這個(gè)問題的答案已經(jīng)被找到。但是，要想驗(yàn)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(jìn)行了第一次交會(huì)——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(jìn)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(xué)的研究人員就能驗(yàn)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(dǎo)致的。

解開這個(gè)謎題當(dāng)然很重要，因?yàn)樗梢允箍茖W(xué)家更好地理解和預(yù)測太陽氣象，這對我們來說非常關(guān)鍵，因?yàn)樘柼鞖鈺?huì)對地球的電網(wǎng)構(gòu)成嚴(yán)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(gè)眾說紛紜的謎題。

一旦進(jìn)入這個(gè)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(dǎo)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(gè)化學(xué)元素會(huì)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(huì)被過度加熱，直到它們的溫度是這個(gè)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(huì)導(dǎo)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(kuò)大的原因。密歇根大學(xué)氣候與空間科學(xué)教授Justin Kasper是帕克任務(wù)的首席研究員，他表示，從這個(gè)角度來講，對于天文學(xué)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(gè)世紀(jì)才發(fā)現(xiàn)它的溫度如此之高。

這個(gè)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(diǎn)），太陽風(fēng)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(dǎo)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(fēng)（從太陽釋放出的帶電粒子流）移動(dòng)的足夠快，使阿爾文波無法回到太陽。| 圖片來源：[1]

Kasper說：“當(dāng)你處于阿爾文點(diǎn)以下時(shí)，你就處于這片洶涌的波的海洋中?！睅щ娏Ｗ訒?huì)因?yàn)閬碜运拿姘朔降牟ǘl(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(fēng)航天器（Wind spacecraft）對太陽風(fēng)進(jìn)行的數(shù)十年的觀測結(jié)果。他們研究了氦在接近太陽時(shí)所升高的溫度，有多少是由于太陽風(fēng)在向地球方向傳播時(shí)，太陽風(fēng)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(jì)算出自太陽風(fēng)過熱以來已經(jīng)過去了多少時(shí)間。由于我們知道風(fēng)的速度，因此就能把這個(gè)信息轉(zhuǎn)換成距離?！?/span>

這些計(jì)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(gè)太陽半徑。看起來這個(gè)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(jì)值與阿爾文點(diǎn)進(jìn)行比較，但他想知道，這個(gè)邊界是否是由太空中的一個(gè)具有物理意義的位置所產(chǎn)生的。當(dāng)他了解到阿爾文點(diǎn)和其他一些表面與太陽活動(dòng)的擴(kuò)張和收縮有關(guān)之后，他和另一位合作者Kristopher Klein重新分析了他們的計(jì)算，他們不再考慮整個(gè)風(fēng)航天器的任務(wù)，而是關(guān)注年復(fù)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(diǎn)在以完全可預(yù)測的模式同步移動(dòng)，盡管對它們的計(jì)算是獨(dú)立進(jìn)行的。如果把它們的圖形疊加，就會(huì)看到它們隨著時(shí)間的推移在做著完全相同的事?！?/span>

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