欧空局太阳轨道器发现为太阳风提供燃料的神秘阿尔芬波

欧空局太阳轨道器和美国国家航空航天局帕克太阳探测器的数据显示，太阳磁场的巨大波动，特别是阿尔芬波是驱动和加速太阳风的关键。这一发现揭示了太阳现象的动力学，并表明其他恒星的风也可能有类似之处。

利用太阳轨道器和帕克太阳探测器的数据进行的新研究表明，阿尔芬波在加速和加热太阳风方面发挥着关键作用，为我们了解太阳和恒星现象提供了启示。资料来源：太阳轨道器：欧空局/ATG medialab；帕克太阳探测器：NASA/Johns Hopkins APL

欧洲航天局（ESA）的"太阳轨道器"（Solar Orbiter）航天器提供了重要数据，回答了数十年之久的问题：加热和加速太阳风的能量来自哪里。太阳轨道器与美国国家航空航天局（NASA）的帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）协同工作，揭示了为这种外流提供动力所需的能量来自太阳磁场的巨大波动。

太阳风是从太阳大气层（称为日冕）中逸散出来的带电粒子的恒定流，流经地球。正是太阳风与我们星球大气层的碰撞引发了天空中五彩缤纷的极光。

快速太阳风的移动速度超过每秒 500 公里，相当于每小时 180 万公里。奇怪的是，这种风以较低的速度离开日冕，因此当它向更远的地方移动时，有东西会使它加速。当百万度的风膨胀到更大的体积，密度变小时，它自然会冷却下来，就像地球上爬山时的空气一样。然而，仅从这种效应来看，它的冷却速度比预期的要慢。

那么，是什么提供了必要的能量来加速和加热太阳风中速度最快的部分呢？来自欧空局太阳轨道器和美国宇航局帕克太阳探测器的数据提供了确凿的证据，答案就是太阳磁场中的大规模振荡，即阿尔芬波。

这项工作的共同第一作者、马萨诸塞州哈佛大学和史密森天体物理学中心的耶米-里维拉（Yeimy Rivera）说："在这项工作之前，阿尔费恩波曾被认为是一种潜在的能量来源，但我们并没有确切的证据。"

欧空局领导的太阳轨道飞行器任务和美国宇航局的帕克太阳探测器的联合观测表明，快速太阳风被太阳磁场线的巨大偏转加热并加速离开太阳，这种偏转被称为磁回旋或阿尔芬波。图片来源：欧空局

在普通气体（如地球大气层）中，唯一能传播的波是声波。然而，当气体被加热到超高温时，例如在太阳的大气层中，它会进入一种被称为等离子体的电化状态，并对磁场做出反应。这样，磁场中就会形成波，即阿尔芬波。这些波能储存能量，并能在等离子体中有效地传递能量。

普通气体以密度、温度和速度的形式表达其存储的能量。然而，在等离子体中，磁场也储存着能量。太阳轨道器和帕克太阳探测器都包含必要的仪器来测量等离子体的特性，包括其磁场。

尽管这两个航天器与太阳的距离不同，运行轨道也大相径庭，但在 2022 年 2 月，这两个航天器碰巧沿着同一股太阳风对准了太阳。

帕克号在距离太阳 13.3 个太阳半径（约 900 万公里）的地方运行，位于日冕的最外缘，它首先穿过了日冕流。太阳轨道器在128个太阳半径（8900万千米）处运行，一两天后穿过日冕流。Yeimy说："这项工作之所以能够完成，是因为这两个航天器在从太阳出发的不同阶段对同一太阳风流进行了非常特殊的对准。"

研究小组充分利用这种罕见的排列方式，对同一等离子体流在两个不同地点的测量结果进行了比较。他们首先将测量结果转化为四个关键的能量量，其中包括对磁场中存储能量的测量，即波能通。

由于能量既不能被创造也不能被毁灭，只能从一种形式转换成另一种形式，研究小组将帕克的读数与太阳轨道器的读数进行了比较。他们同时使用和不使用磁能项进行了比较。

日冕中的一个回折点（左下方大约 8 点钟位置的突出白色/淡蓝色特征）。资料来源：ESA & NASA/太阳轨道器/EUI & Metis 小组和 D. Telloni 等人 (2022)

第一作者、哈佛大学天体物理学中心和马萨诸塞州史密森尼天体物理学中心的塞缪尔-巴德曼（Samuel Badman）说："我们发现，如果不包括帕克的波能通量，我们就无法完全匹配太阳轨道器的能量。"

在靠近太阳的地方，也就是帕克测量磁流的地方，发现磁场中的能量约占总能量的10%。在太阳轨道器上，这个数字下降到只有 1%，但等离子体已经加速，冷却速度比预期的要慢。

通过比较这些数据，研究小组得出结论：损失的磁能为加速提供了动力，并通过自身的加热减缓了等离子体的冷却速度。

这些数据还显示了被称为"回旋"的磁场结构对风速加速的重要性。回转是太阳磁场线的大偏转，是阿尔芬波的例子。自 20 世纪 70 年代的第一批太阳探测器以来，人们就已经看到了这种现象，但自从帕克太阳探测器于 2021 年成为第一个飞越日冕的航天器，并探测到磁场结构成片地连接在一起之后，这种现象的探测率急剧上升。

这项新工作证实，这些开关背斑块含有足够的能量，可以对快速太阳风加速和加热的缺失部分负责。

"这项新工作巧妙地将太阳拼图中的几大块拼图组合在一起。太阳轨道器、帕克太阳探测器和其他任务收集到的数据越来越多地向我们表明，不同的太阳现象实际上共同构建了这个非同寻常的磁环境，"欧空局太阳轨道器项目科学家丹尼尔-穆勒（Daniel Müller）说。

它不仅告诉我们太阳系的情况。"我们的太阳是宇宙中唯一一颗我们可以直接测量其风的恒星。因此，我们从太阳身上学到的东西至少可能适用于其他太阳型恒星，或许也适用于其他有风的恒星类型，"塞缪尔说。

研究小组目前正在努力扩大他们的分析范围，以适用于速度较慢的太阳风，看看太阳的磁场能量是否也在太阳风的加速和加热过程中发挥了作用。

编译自/scitechdaily