两个太阳探测器正在帮助研究人员了解太阳风的动力现象

我们的太阳驱动着等离子体或电离气体不断向外流动，称为太阳风，它包裹着我们的太阳系。在地球的保护性磁层之外，最快的太阳风以每秒超过310英里(500公里)的速度疾驰而过。但研究人员至今还无法弄清楚太阳风如何获得足够的能量来达到这一速度。

我们的太阳物理学家团队于2024年8月发表了一篇论文，指出了推动太阳风的新能源。

太阳风发现

物理学家尤金·帕克于1958年预测了太阳风的存在。前往金星的水手号太空船于1962年证实了太阳风的存在。

自20世纪40年代以来，研究表明，太阳日冕或太阳大气层的温度可以达到极高水平，超过200万华氏度(或超过100万摄氏度)。

帕克的研究表明，这种极端温度可以产生足够强的向外热压，以克服重力并导致太阳大气层的外层逃逸。

然而，随着研究人员对近地太阳风的测量越来越详细，太阳风科学领域的空白很快就出现了。特别是，他们发现了太阳风中速度最快的部分存在两个问题。

首先，太阳风在离开炽热日冕后继续升温，但这种现象没有得到解释。即使增加了这种热量，最快的太阳风仍没有足够的能量让科学家解释它如何能够加速到如此高的速度。

这两项观察都意味着，除了帕克模型之外，还存在某种额外的能量源。

这幅艺术家的渲染图展示了欧洲航天局的太阳轨道器绕太阳运行的场景。图片来源：NASA戈达德太空飞行中心概念图像实验室

阿尔文波

太阳及其太阳风都是等离子体。等离子体类似于气体，但等离子体中的所有粒子都带电荷并对磁场作出反应。

与声波在空气中传播并在地球上传输能量的方式类似，等离子体中也有所谓的阿尔文波。几十年来，人们一直预测阿尔文波会影响太阳风的动力学，并在太阳风中传输能量方面发挥重要作用。

然而，科学家无法判断这些波是否真的与太阳风直接相互作用，或者它们是否产生了足够的能量来驱动太阳风。要回答这些问题，他们必须在非常靠近太阳的地方测量太阳风。

2018年和2020年，美国宇航局和欧洲航天局发射了各自的旗舰任务：帕克太阳探测器和太阳轨道器。这两项任务都携带了测量太阳附近阿尔文波的合适仪器。

太阳轨道器在1个天文单位(地球所在位置)和0.3个天文单位(比水星更靠近太阳)之间飞行。帕克太阳探测器的探测深度要深得多。它距离太阳最近处在日冕的外缘，距离太阳只有5个太阳直径。每个太阳直径约为865,000英里(1,400,000公里)。

通过这两项任务的共同运行，我们这样的研究人员不仅可以研究靠近太阳的太阳风，还可以研究它在帕克观测点和太阳轨道器观测点之间是如何变化的。

磁性开关

当帕克第一次近距离接近太阳时，它观测到太阳附近的太阳风中确实充满了阿尔文波。

科学家利用帕克测量太阳风的磁场。在某些时候，他们注意到场线(或磁力线)以如此高的幅度波动，以至于它们短暂地改变了方向。科学家将这些现象称为磁折返。借助帕克，他们在近太阳风的任何地方都观察到了这些包含能量的等离子体波动。

磁逆转是太阳风磁场的短暂逆转。

我们的研究团队想弄清楚这些折返点是否包含足够的能量来加速和加热远离太阳的太阳风。我们还想研究当这些折返点释放能量时太阳风是如何变化的。这将帮助我们确定折返点的能量是用于加热太阳风、加速太阳风还是两者兼而有之。

为了回答这些问题，我们确定了一种独特的航天器配置，其中两艘航天器穿过同一部分太阳风，但与太阳的距离不同。

折返弯道的秘密

帕克在靠近太阳的位置观察到，大约10%的太阳风能量存在于磁折返中，而太阳轨道器测量到的这一比例不到1%。这一差异意味着，在帕克和太阳轨道器之间，这种波能被转化为其他能量形式。

我们进行了一些建模，就像尤金·帕克所做的那样。我们以帕克原始模型的现代实现为基础，并将观测到的波浪能的影响纳入这些原始方程中。

通过比较数据集和模型，我们可以明确地看到，这种能量既有助于加速，也有助于加热。我们知道它有助于加速，因为太阳轨道器上的风比帕克号上的风快。我们也知道它有助于加热，因为太阳轨道器上的风比没有波浪时更热。

这些测量结果告诉我们，折返轨道产生的能量对于解释太阳风远离太阳时的演变是必要的，而且是充分的。

我们的测量结果不仅告诉科学家有关太阳风的物理原理以及太阳如何影响地球，而且可能对整个宇宙产生影响。

许多其他恒星都有恒星风，将其物质带入太空。了解我们当地恒星的太阳风的物理特性也有助于我们了解其他系统中的恒星风。了解恒星风可以让研究人员更多地了解系外行星的宜居性。

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