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帕克走了，但帕克號依然向著太陽前進
來源：《科技日報》
美國著名太陽物理學家尤金·帕克於近日逝世，享年94歲。帕克是最早提出並通過數學計算證明“太陽風”存在的天文學家，對太陽物理學研究起到了奠基性作用。
2018年8月，以帕克命名的太陽探測器發射升空，當時91歲的帕克親臨發射現場觀看了此次發射，而這也使得帕克號太陽探測器成為美國國家航空航天局（NASA）歷史上第一個以在世科學家命名的探測器。
如今，帕克走了，但帕克號依然向著太陽前進。
太陽風理論顛覆人們對太陽大氣認知
能夠“冠名”太陽探測器，帕克對太陽領域的研究，究竟有著怎樣的貢獻？上世紀中葉，權威學者查普曼提出的靜態太陽大氣理論成為當時的主流觀點。該理論認為，太陽大氣一方面受到太陽超高溫度下形成的向外膨脹力的作用，另一方面又受到太陽自身引力的作用，兩種力實現平衡，形成了太陽大氣的靜止狀態。
但也有科學家提出了不同看法，1956年德國科學家路德維希·比爾曼通過觀察彗星“尾巴”的朝向指出，彗星的一條“尾巴”之所以總是背向太陽，是由於彗星的揮發物受到了太陽上吹來的風的影響，被吹向了與太陽相反的方向，從而形成了彗尾。
這一學說在當時並未受到廣泛認可，美國芝加哥大學教授約翰·辛普森便認為該學說與權威理論相悖，於是他將驗證這一假說的任務交給了他的學生——尤金·帕克。
當時還是研究生的帕克便以查普曼的靜態太陽大氣理論為基礎，進行數學推導。但最終得出的結果卻令他大為震驚。計算結果顯示，如果以靜態太陽大氣為條件，則在距離太陽無窮遠的地方，依然存在著巨大的太陽大氣壓強。這個明顯矛盾的結果讓帕克意識到，查普曼的理論並不正確。再加之此前比爾曼提出的假說，帕克認為，太陽大氣不是靜止的，而是一直處於活躍狀態，並持續向外拋出粒子。通過計算，帕克指出太陽大氣粒子在脫離太陽引力後會不斷加速，其在地球附近的速度可達到每秒數百公里，帕克將其命名為太陽風。
中國科學院國家天文台懷柔太陽觀測基地主任鄧元勇介紹，帕克的太陽風理論剛發表時便顛覆了人們對靜態太陽大氣的認知，遭到了當時科學界的普遍質疑。但是在1962年，“水手2號”探測器在前往金星的過程中，對太陽進行了連續100多天的觀測，持續觀測到了速度高達400—700公里/秒的帶電粒子流，全面證實了太陽風的存在。人們終於認可了帕克此前提出的太陽風理論，而帕克也當之無愧成為了太陽風研究的奠基人。
不僅如此，鄧元勇表示，帕克還在太陽磁重聯、太陽發電機理論等方面，做出了開創性的工作。尤其是他與天文學家斯威特共同提出了斯威特—帕克磁重聯模型，首次給出了磁重聯定量的數學描述，為此後建立更為嚴格的磁重聯理論奠定了基礎。而在太陽發電機理論方面，帕克提出的科里奧利力與對流區湍流耦合理論，打破了此前托馬斯·考林提出的發電機過程不能最終產生軸對稱的磁場，即發電機產生的磁場必須是三維的反發電機理論模型，推動了太陽發電機理論發展；並且他還將太陽發電機理論延伸、拓展到了星系磁場，推動了星系發電機理論的發展。
研究太陽是開展空間活動的必然需求
帕克是太陽風之父，而帕克號也承擔著研究太陽風，尤其是太陽風暴的任務。如果說正常狀態下的太陽風還稱得上是“微風和煦”，那麼能量大得多的太陽風暴則可以算是“狂風暴雨”了。在今年2月初，由太陽風暴引發的地磁暴，便有可能是SpaceX公司的40顆“星鏈”衛星未能升至預定軌道而宣告報廢原因之一。
太陽的“脾氣”陰晴不定、難以捉摸，但也並非完全不可預測。鄧元勇表示，太陽高能粒子到達地球至少需要數小時，等離子雲到達地球則至少需要兩三天，所以目前人類已經可以對太陽風暴進行一定的預報。但他也指出，僅靠目前的地面裝置還無法對太陽風進行更為深入的研究，“實際觀測的太陽風速度要遠大於理論值，它是如何被加速的？太陽風中粒子溫度存在各向異性，又是如何形成的？這些重要的問題我們目前都還沒有定論。”
而相較於地面設施，帕克號太陽探測器最獨特的優勢，便是它能夠前所未有地接近太陽。“它距離太陽最近時僅約9個太陽半徑，相較於地面觀測縮短了96%的距離。”中國科學院國家天文台懷柔太陽觀測基地副研究員宋永亮表示，憑藉這一無與倫比的優勢，帕克號可以探測到初始太陽風的性質，研究太陽局地日冕磁場和粒子運動的耦合，這是地面及地球軌道探測器所不可比擬的。
宋永亮認為，從人類生存及技術應用的角度來說，對太陽風性質的探究和對日冕物質拋射的預測，是人類進行空間活動的必然需求，也是人類理解生命起源，尋找地外生命的重要基礎。而帕克號太陽探測器也將在太陽磁場、等離子體、高能粒子、太陽風性質等方面展開深入研究，幫助科學家加深對太陽活動的認知。
太陽探測進入“觸摸式”時代
2021年12月，NASA發佈消息稱，帕克號太陽探測器已於2021年4月成功穿過太陽外層大氣，並對其進行了粒子和磁場采樣，這也是人類探測器首次成功進入太陽大氣。
科學家普遍認為，在太陽大氣最外層存在著一個阿爾芬臨界面，它標示著太陽大氣的終結和太陽風的開始。根據此前的研究估計，該臨界面距離太陽表面在10到20個太陽半徑之間。穿過這個臨界面，便意味著真正進入了太陽大氣。
在此次穿越中，帕克號太陽探測器採取了循序漸進的策略，其首先圍繞著太陽“轉圈圈”，逐步接近太陽大氣外層；隨後，找準時機以每小時69.2萬公里的超高速度飛行至距離太陽表面18.8個太陽半徑處；在這裏，帕克號檢測到了特定的磁場和粒子條件，這意味著帕克號正式進入了太陽大氣；隨後帕克號又似穿針引線般，反複進出太陽大氣，在這一過程中，帕克號發現阿爾芬臨界面不是光滑的球形，它的表面有著起伏的峰穀，而將這些峰穀與太陽表面活動聯繫起來進行研究，可以幫助科學家瞭解太陽活動是如何影響太陽大氣和太陽風的。
在此次帕克號進入太陽大氣之前，距離太陽最近的人造探測器是“太陽神2號”，其在1976年時曾抵達過距離太陽4273萬公里處。而帕克號之所以能夠和太陽來個前所未有的“親密接觸”，主要得益於其“夾心餅乾”結構的隔熱罩。該隔熱罩被安裝在探測器面向太陽的一側，由厚度約為12釐米的碳復合材料製成，具體結構為兩塊碳纖維面板之間夾著一層厚約11.4釐米的碳復合泡沫材料。憑藉著這塊“夾心餅乾”的保護，隔熱罩面向太陽的一側溫度高達約1371攝氏度，而隔熱罩的另一側則僅為29攝氏度。
按照計劃，帕克號接下來將在2024年12月，逼近至距離太陽表面約616萬公里處，有望再次打破它自己保持的人造探測器靠近太陽的極限距離。
用鄧元勇的話說，帕克號太陽探測器正將人類對太陽的研究真正推入到“觸摸式”時代。
審核：鄧元勇
配圖：宋永亮
責編：袁鳳芳
