美國著名太陽物理學(xué)家尤金·帕克于近日逝世，享年94歲。

帕克是最早提出并通過數(shù)學(xué)計算證明“太陽風(fēng)”存在的天文學(xué)家，對太陽物理學(xué)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(fā)射升空，當(dāng)時91歲的帕克親臨發(fā)射現(xiàn)場觀看了此次發(fā)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(xué)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(fēng)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(lǐng)域的研究，究竟有著怎樣的貢獻?上世紀中葉，權(quán)威學(xué)者查普曼提出的靜態(tài)太陽大氣理論成為當(dāng)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(xiàn)平衡，形成了太陽大氣的靜止?fàn)顟B(tài)。

但也有科學(xué)家提出了不同看法，1956年德國科學(xué)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，是由于彗星的揮發(fā)物受到了太陽上吹來的風(fēng)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(xué)說在當(dāng)時并未受到廣泛認可，美國芝加哥大學(xué)教授約翰·辛普森便認為該學(xué)說與權(quán)威理論相悖，于是他將驗證這一假說的任務(wù)交給了他的學(xué)生——尤金·帕克。

當(dāng)時還是研究生的帕克便以查普曼的靜態(tài)太陽大氣理論為基礎(chǔ)，進行數(shù)學(xué)推導(dǎo)。但最終得出的結(jié)果卻令他大為震驚。計算結(jié)果顯示，如果以靜態(tài)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(jié)果讓帕克意識到，查普曼的理論并不正確。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，而是一直處于活躍狀態(tài)，并持續(xù)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后會不斷加速，其在地球附近的速度可達到每秒數(shù)百公里，帕克將其命名為太陽風(fēng)。

中國科學(xué)院國家天文臺懷柔太陽觀測基地主任鄧元勇介紹，帕克的太陽風(fēng)理論剛發(fā)表時便顛覆了人們對靜態(tài)太陽大氣的認知，遭到了當(dāng)時科學(xué)界的普遍質(zhì)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(xù)100多天的觀測，持續(xù)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(fēng)的存在。人們終于認可了帕克此前提出的太陽風(fēng)理論，而帕克也當(dāng)之無愧成為了太陽風(fēng)研究的奠基人。

不僅如此，鄧元勇表示，帕克還在太陽磁重聯(lián)、太陽發(fā)電機理論等方面，做出了開創(chuàng)性的工作。尤其是他與天文學(xué)家斯威特共同提出了斯威特—帕克磁重聯(lián)模型，首次給出了磁重聯(lián)定量的數(shù)學(xué)描述，為此后建立更為嚴格的磁重聯(lián)理論奠定了基礎(chǔ)。而在太陽發(fā)電機理論方面，帕克提出的科里奧利力與對流區(qū)湍流耦合理論，打破了此前托馬斯·考林提出的發(fā)電機過程不能最終產(chǎn)生軸對稱的磁場，即發(fā)電機產(chǎn)生的磁場必須是三維的反發(fā)電機理論模型，推動了太陽發(fā)電機理論發(fā)展;并且他還將太陽發(fā)電機理論延伸、拓展到了星系磁場，推動了星系發(fā)電機理論的發(fā)展。

研究太陽是開展空間活動的必然需求

帕克是太陽風(fēng)之父，而帕克號也承擔(dān)著研究太陽風(fēng)，尤其是太陽風(fēng)暴的任務(wù)。如果說正常狀態(tài)下的太陽風(fēng)還稱得上是“微風(fēng)和煦”，那么能量大得多的太陽風(fēng)暴則可以算是“狂風(fēng)暴雨”了。在今年2月初，由太陽風(fēng)暴引發(fā)的地磁暴，便有可能是SpaceX公司的40顆“星鏈”衛(wèi)星未能升至預(yù)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，但也并非完全不可預(yù)測。鄧元勇表示，太陽高能粒子到達地球至少需要數(shù)小時，等離子云到達地球則至少需要兩三天，所以目前人類已經(jīng)可以對太陽風(fēng)暴進行一定的預(yù)報。但他也指出，僅靠目前的地面裝置還無法對太陽風(fēng)進行更為深入的研究，“實際觀測的太陽風(fēng)速度要遠大于理論值，它是如何被加速的?太陽風(fēng)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。”

而相較于地面設(shè)施，帕克號太陽探測器最獨特的優(yōu)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，相較于地面觀測縮短了96%的距離。”中國科學(xué)院國家天文臺懷柔太陽觀測基地副研究員宋永亮表示，憑借這一無與倫比的優(yōu)勢，帕克號可以探測到初始太陽風(fēng)的性質(zhì)，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(shù)應(yīng)用的角度來說，對太陽風(fēng)性質(zhì)的探究和對日冕物質(zhì)拋射的預(yù)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(chǔ)。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(fēng)性質(zhì)等方面展開深入研究，幫助科學(xué)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(fā)布消息稱，帕克號太陽探測器已于2021年4月成功穿過太陽外層大氣，并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(xué)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(biāo)示著太陽大氣的終結(jié)和太陽風(fēng)的開始。根據(jù)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，帕克號太陽探測器采取了循序漸進的策略，其首先圍繞著太陽“轉(zhuǎn)圈圈”，逐步接近太陽大氣外層;隨后，找準(zhǔn)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;在這里，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;隨后帕克號又似穿針引線般，反復(fù)進出太陽大氣，在這一過程中，帕克號發(fā)現(xiàn)阿爾芬臨界面不是光滑的球形，它的表面有著起伏的峰谷，而將這些峰谷與太陽表面活動聯(lián)系起來進行研究，可以幫助科學(xué)家了解太陽活動是如何影響太陽大氣和太陽風(fēng)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”，主要得益于其“夾心餅干”結(jié)構(gòu)的隔熱罩。該隔熱罩被安裝在探測器面向太陽的一側(cè)，由厚度約為12厘米的碳復(fù)合材料制成，具體結(jié)構(gòu)為兩塊碳纖維面板之間夾著一層厚約11.4厘米的碳復(fù)合泡沫材料。憑借著這塊“夾心餅干”的保護，隔熱罩面向太陽的一側(cè)溫度高達約1371攝氏度，而隔熱罩的另一側(cè)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。