空间中心科研人员提出解决“太阳风角动量佯谬”方法和思路

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在太阳和恒星物理中，一个基础性的问题是恒星（包括太阳）自转如何减慢。自转减慢应由质量损失引起，即恒星风（太阳风）。Parker在1958年提出太阳风的第一个流体模型，但并没有考虑磁场的影响。单纯的质量损失无法解释自转减慢的速率。Weber & Davis于1967年提出第一个磁流体模型（WD模型），在磁场的影响下，角动量的损失率为 为阿尔芬半径，太阳风在阿尔芬半径从亚阿尔芬速变为超阿尔芬速）。阿尔芬半径一般比太阳半径高一个量级，即在同样的质量损失率下，由于磁场施加的力矩，角动量损失可以提高两个数量级。这一简洁的数学形式、清晰的物理含义，使得WD理论迅速成为里程碑的工作。

Parker Solar Probe（PSP）卫星在2018年发射升空，试图成为人类首颗穿越太阳“阿尔芬表面”的卫星（即进入阿尔芬半径以内区域）。作为重要的科学发现，PSP观测到太阳风切向流速度达到50多km/s，远大于WD模型的结果。这意味着角动量损失率远大于预期，从WD理论出发PSP已经进入阿尔芬半径以内，然而实际的太阳风速度仍大于当地的阿尔芬速度（见图1）。这一自相矛盾的结果被称为“太阳风角动量佯谬”（或悖论）。

中国科学院国家空间科学中心刘颍研究员等人提出解决问题的方法和思路，表明“太阳风角动量佯谬”并不存在。首先，研究工作给出一个不同于前人的方法，用于计算太阳风角动量和阿尔芬半径。以前用以计算太阳风角动量和阿尔芬半径的方法受观测限制，存在很多不确定性，特别是切向流速度的误差很大、以及阿尔法粒子参数难以被精确测量。新的方法成功回避了这些问题，给出相对精确的阿尔芬半径和角动量的估计、以及角动量在粒子和磁场的分配比例。通过新的方法给出的太阳风角动量结果仍可与WD理论符合，而阿尔芬半径低于PSP离日心的距离（即PSP在阿尔芬半径以外），“太阳风角动量佯谬”问题被移除（见图1）。

图1: PSP第一轨观测、以及基于新方法得到的阿尔芬半径和角动量

研究发现，太阳风角动量和阿尔芬半径是速度的函数（见下表）。太阳风速度不同，角动量及其在粒子和磁场分配的比例也不同，而磁场携带的角动量则相对固定。阿尔芬半径对速度的依赖性表明，太阳的阿尔芬表面并不是一个球面，而是“崎岖不平”。结果也给出了对PSP穿越阿尔芬表面的预言，根据PSP轨道设计，实质的（或持久的）阿尔芬表面穿越仅发生于速度低于350 km/s的太阳风，这对以后PSP的观测、未来的探测任务规划具有指导性意义。

其次，基于Helios卫星在0.3－1 AU和近地卫星的观测，构建阿尔法离子速度，并以此来估计太阳风粒子所携带的角动量，指出阿尔法离子可有反向的切向流，从而抵消部分角动量（见图2）。PSP搭载的离子仪器包含一个法拉第杯（SPC）和静电分析器（SPAN-I）。SPC虽然直接指向太阳，但难以分辨阿尔法离子。SPAN-I位于卫星的侧翼，因挡热板阻碍仅仅观测到部分粒子速度分布函数。在第四轨PSP移动地足够快，从而把大部分的阿尔法离子速度分布核心置于SPAN-I视场中。研究工作对第四轨阿尔法离子参数的初步分析表明，阿尔法离子确实可存在大的负值切向速度，与期望基本一致。

图2: 构建的阿尔法粒子速度和角动量、以及与质子参数的比对

基于上述结果，研究工作进一步指出：大的质子切向流可能是太阳风加速所固有的结果；太阳风加速产生相反方向的质子和阿尔法离子切向流，而角动量则保持守恒，WD理论仍然成立。这不同于Len Fisk等人提出的交换磁重联理论。根据Len Fisk交换磁重联理论，正负质子切向流可在任何地方观测到，然而PSP在所有近日点附近都无一例外的观测到持续的、正的质子切向流。

此外，研究发现太阳风在PSP（encounter）距离仍处于加速阶段，因此PSP观测到的速度不应视为最终速度。与1 AU处观测到的速度对比，PSP观测到的“慢速”太阳风在1 AU处可为快速太阳风；近期在Nature上发表的来自冕洞的“慢速”太阳风值得新的思考。通过鉴定出不同的太阳风加速结果，研究工作评估了提出的新方法的误差。

论文发表于The Astrophysical Journal Letters，第一/通讯作者为刘颍研究员。研究结果对于澄清太阳风角动量悖论、理解太阳风加速过程和阿尔芬表面特性这些基本问题，具有重要意义。

Citation:

Ying D. Liu*#, Chong Chen, Michael L. Stevens, Mingzhe Liu, Determination of Solar Wind Angular Momentum and Alfven Radius from Parker Solar Probe Observations, 2021, The Astrophysical Journal Letters, 908, L41

(https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abe38e)