2018年8月12日，帕克太陽探測器成功發(fā)射，計劃駛?cè)胩柎髿?，將成為人類第一顆對恒星大氣進行直接觀測的探測器。帕克太陽探測器聚焦于太陽大氣兩大難題：“高溫日冕如何加熱”和“高速太陽風(fēng)如何加速”，探測結(jié)果可能會徹底改變?nèi)藗儗μ柕恼J識，破解這兩個難題將有助于科學(xué)家進一步了解并預(yù)報空間天氣。2019年12月4日，《自然》雜志發(fā)表了4篇系列論文，報道了該探測器四個載荷的首批科學(xué)成果。

〇 日冕 是太陽的外層大氣，在日食時，日冕發(fā)出微弱的光，用肉眼可以直接看到?！懊帷钡拿Q最早由意大利天文學(xué)家卡西尼提出：1706年5月日食時，他將太陽外層大氣描述為“淡光之冕”。

19世紀下半葉，借助光譜學(xué)的發(fā)展，人們對日冕有了更深的認識。

1868年，天文學(xué)家詹森和洛克耶爾在太陽邊緣發(fā)現(xiàn)一種新的化學(xué)元素，并將這種元素命名為氦（英文名稱helium，意為“太陽金屬”）。在1869年日全食觀測中，天文學(xué)家楊和哈克尼斯獨立發(fā)現(xiàn)日冕中存在另一種無法辨認的譜線，隨后又發(fā)現(xiàn)了數(shù)十條未知的日冕譜線。六十年后，物理學(xué)家格羅特里安和艾德蘭基于量子力學(xué)的知識，證實了這些未知的日冕譜線實際來自于高度電離的鐵、鈣和鎳等金屬元素，而電離這些粒子需要幾百萬攝氏度的高溫環(huán)境。這樣，人們認識到日冕溫度遠高于太陽表面溫度（五千多攝氏度）。

日冕極紫外和可見光的圖像 | 圖源：（見圖中水?。?/span>

〇 太陽風(fēng) 是從太陽大氣流向行星際空間的高速粒子流。太陽風(fēng)概念的萌芽源于十九世紀下半葉，人們開始推測太陽上的活動與地球上一些特別事件之間可能存在直接關(guān)聯(lián)，并逐步揭示了太陽風(fēng)的存在：

1859年，英國天文學(xué)家卡靈頓發(fā)現(xiàn)該年9月一次太陽耀斑爆發(fā)后，地球磁場發(fā)生了強烈擾動（地磁暴）以及電報線路上突然出現(xiàn)強電流現(xiàn)象。

1908年，挪威物理學(xué)家伯克蘭基于多年的地球極區(qū)觀測數(shù)據(jù)分析，認為地磁暴和強極光活動是從太陽傳播出來的某種“代理人”的表現(xiàn)。

1918年，英國科學(xué)家卡普頓認為太陽會發(fā)射“氣體云”，也可以說是帶電粒子流到太陽外面的“真空”環(huán)境。

1951年，德國天文學(xué)家比爾曼基于彗星離子尾流的觀測，提出太陽系中充滿了來自太陽的帶電粒子外流。

1958年，太陽物理學(xué)家帕克將高溫日冕和比爾曼的“太陽帶電粒子外流”想法結(jié)合，推算出高溫日冕氣體壓力梯度會克服太陽重力影響，導(dǎo)致日冕等離子體向遠離太陽傳播，并將之命名為“太陽風(fēng)”。帕克的太陽風(fēng)理論模型預(yù)言了行星際空間中存在太陽風(fēng)，而非完全真空。

1959年，前蘇聯(lián)衛(wèi)星很快證實了太陽風(fēng)的存在?？臻g衛(wèi)星觀測還給出了太陽風(fēng)的速度分布情況，表明其速度大小分布在200千米每秒至800千米每秒之間。

太陽風(fēng)速度分布 | 圖源：McComas, D. J. et al., 2008, GRL, 35, L18103

一方面，由于日冕溫度遠高于太陽低層大氣溫度，顯然日冕熱量不可能來自低層大氣，因此引發(fā)了對“日冕加熱問題”的深入研究，但至今沒有定論。

另一方面，帕克太陽風(fēng)模型雖然成功預(yù)言了太陽風(fēng)的產(chǎn)生，但預(yù)測的太陽風(fēng)速度要小于觀測值，且不能解釋太陽風(fēng)中粒子溫度各向異性的觀測現(xiàn)象。高速太陽風(fēng)和粒子溫度各向異性的形成機制，目前也沒有定論。

“高溫日冕如何加熱”和“高速太陽風(fēng)如何加速”成為當今太陽和空間物理領(lǐng)域的兩大科學(xué)難題。

一般認為加熱日冕和加速太陽風(fēng)的能量起源于太陽大氣中磁場、以及對流層中流體運動。研究人員對這些能量如何傳播到日冕以及能量如何傳輸給日冕帶電粒子的問題上存在爭議，爭議點可以大致歸類為以下兩種模型：

〇 阿爾文波/湍流模型

支持這一模型的研究人員認為兩種常見的太陽現(xiàn)象——對流層中流體運動和太陽低層大氣中磁場位形的急劇變化——所激發(fā)的磁流體波，主要是阿爾文波，可以穿越日冕，一直傳輸?shù)叫行请H空間。大尺度阿爾文波可以轉(zhuǎn)換為離子回旋波和動力學(xué)阿爾文波，將能量有效傳輸給粒子，從而解釋日冕加熱、太陽風(fēng)加速和粒子溫度各向異性等觀測現(xiàn)象。此外，太陽大氣中阿爾文波之間發(fā)生相互作用，形成阿爾文湍流，耗散能量，也可以自洽解釋日冕加熱和太陽風(fēng)加速。

〇 磁重聯(lián)/納耀斑模型

太陽表面和下方區(qū)域的流體運動可以導(dǎo)致磁力線的剪切、扭轉(zhuǎn)和浮現(xiàn)，形成電流片，進而觸發(fā)磁重聯(lián)，將一部分磁場能量轉(zhuǎn)化為粒子熱能和動能，導(dǎo)致日冕加熱和太陽風(fēng)加速。帕克還進一步提出納耀斑概念，認為日冕底部會形成各種尺度的電流片，產(chǎn)生很多較太陽耀斑尺度小很多的耀斑，從而有效釋放磁場能量。 

這兩類模型都有各自的觀測支持證據(jù)。此外，研究人員還認為：太陽大氣中存在磁聲波引發(fā)的激波，可以加熱日冕；在太陽大氣中經(jīng)常觀測到的針狀物對日冕加熱也有貢獻。

在日冕加熱問題上，我國學(xué)者做出了一些具有重要影響的工作，如系統(tǒng)闡釋動力學(xué)阿爾文波加熱太陽大氣機制，提出阿爾文波非線性耗散過程，發(fā)現(xiàn)加熱日冕的超精細通道，基于針狀物研究將太陽低層大氣中的磁活動與日冕加熱直接關(guān)聯(lián)等。

為了揭示太陽大氣和磁場的結(jié)構(gòu)、探索磁場能量的釋放過程和能量輸運機制，人類相繼發(fā)射了多顆空間衛(wèi)星觀測太陽，如Skylab(1973年-1979年)、Yohkoh(1991年-2001年)、SOHO(1995年-至今)、TRACE(1998年-2010年)、RHESSI(2002年-2018年)、Hinode(2006年-至今)、STEREO(2006年-至今)、SDO(2010年-至今)、IRIS(2013年-至今)等。這些衛(wèi)星可以通過紫外、極紫外和X射線波段“看”太陽大氣，間接辨認不同日冕加熱模型。但是，各種模型都有衛(wèi)星觀測不同層面的支持證據(jù)，爭議仍然存在。

不同于以往太陽衛(wèi)星只能“看”太陽，帕克太陽探測器可以“觸摸”太陽，因為它將飛到距離太陽表面僅612萬公里的軌道，比以往任何探測器都更接近太陽。帕克太陽探測器能夠直接探測等離子體、電磁場和高能粒子信息，觀察小尺度結(jié)構(gòu)及其動力學(xué)過程，從而直接檢驗加熱日冕和加速太陽風(fēng)的微觀物理機制。

帕克太陽探測器示意圖 | 圖源：http://parkersolarprobe.

此次帕克太陽探測器的首批科學(xué)發(fā)現(xiàn)，還只是探測器在距離太陽表面約3800萬千米至2500萬千米處的觀測結(jié)果，便已更新了我們對內(nèi)日球動力學(xué)過程的認知。

〇 “之形”磁場結(jié)構(gòu)具有高發(fā)生率

磁場觀測發(fā)現(xiàn)內(nèi)日球中磁場方向經(jīng)常發(fā)生反轉(zhuǎn)，持續(xù)時間為幾秒鐘到幾分鐘，伴隨著等離子體噴流和強電磁能量，該類磁場變化被昵稱為“之形”磁場結(jié)構(gòu)?！爸巍贝艌鼋Y(jié)構(gòu)具有高發(fā)生率和大振幅，因而被認為攜帶了日冕加熱和太陽風(fēng)加速的信號。

“之形”磁場結(jié)構(gòu)示意圖 | 圖源：Nature, doi:10.1038/s41586-019-1818-7

〇 無處不在的等離子體波和湍流

電磁場儀器觀測證實了內(nèi)日球中多種等離子體波的存在、以及從大尺度延伸到小尺度的湍流。探測到的等離子體波動強于地球附近波動，近日區(qū)域存在小尺度湍流的結(jié)果也有些出乎意料，這些觀測佐證了等離子體不穩(wěn)定性和湍流在太陽風(fēng)動力學(xué)過程中起到重要作用。

〇 太陽風(fēng)的旋轉(zhuǎn)速度高于理論預(yù)期

太陽風(fēng)電子、阿爾法粒子和質(zhì)子探測儀發(fā)現(xiàn)：近日點太陽風(fēng)的旋轉(zhuǎn)速度高達35千米每秒至50千米每秒，遠超過經(jīng)典理論預(yù)測值（幾千米每秒）。這一結(jié)果顛覆了對近日太陽風(fēng)旋轉(zhuǎn)速度的已有認知，也引發(fā)了對恒星如何損失角動量和隨時間自旋減慢理論的重新探討。

除以上發(fā)現(xiàn)外，帕克太陽探測器還直接觀測到了日冕外部區(qū)域高能粒子輻射環(huán)境、以及粒子加速和傳輸過程，并且首次在觀測上證實了無塵區(qū)的存在。這些結(jié)果也將推動對內(nèi)日球物理過程的研究。 

我國計劃在2022年左右發(fā)射首顆太陽探測衛(wèi)星——“先進天基太陽天文臺”（ASO-S），搭載全日面矢量磁場儀、硬X射線成像儀和萊曼阿爾法太陽望遠鏡等儀器，探索太陽磁場結(jié)構(gòu)、太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射的動力學(xué)過程、以及日冕動力學(xué)過程。

歐洲歐空局計劃在2020年發(fā)射“太陽軌道探測器”，搭載十個載荷，對太陽進行成像觀測、以及直接探測太陽風(fēng)中的等離子體、電磁場和高能粒子，科學(xué)目標涉及日冕和太陽風(fēng)的動力學(xué)過程。

太陽即將迎來它有人類歷史記載以來的第25個活動周期，這些探測器將與帕克太陽探測器一起，對太陽展開全方位、多角度和多尺度的聯(lián)合觀測，更加全面地揭示日冕和太陽風(fēng)中的動力學(xué)過程，以期待徹底解決日冕加熱和太陽風(fēng)加速問題。