近到足以感受到太阳的气息：航天器以前所未有的距离掠过太阳
今年年初，一艘航天器比历史上任何其他探测器都更接近太阳，并返回了一组测量数据，迫使物理学家重新审视太阳科学中的一个经典问题。NASA的Parker Solar Probe（帕克太阳探测器）多次深入太阳的外层大气，在其最大胆的交会期间，距离太阳可见表面的最近距离仅约380万英里。这些原始的原位（in-situ）粒子和场读取数据——采集于太阳风诞生并仍与太阳磁场强烈相互作用的地方——目前正被用于新的分析工具，以揭示能量是如何转移到太阳风中的，以及为什么日冕的温度高达数百万度。
Parker Solar Probe于2018年发射，利用一系列金星引力助推将其近日点降低到内日球层。在最接近的过境中，该航天器进入了直到最近对日球层物理学家来说仍纯属理论领域的区域。这种近距离至关重要：探测器上的仪器直接采样离子和电子的速度分布，而不是通过远程光或无线电信号间接采样。这些分布看起来并不像许多模型假设的简单钟形麦克斯韦（Maxwellian）曲线；相反，它们是偏斜且结构化的，带有近期加热和波动活动的指纹。
由于该探测器实际穿越了日冕和新生的太阳风，科学家们可以将局部测量结果与长期存在的理论预期进行对比。这组数据集在接近度和保真度方面都极寻常：磁场、粒子速度和密度、各种频率的电磁波——所有这些都在距离太阳几百万英里的范围内测得。正是这种结合，让研究人员能够测试、否定和完善已争论了一个多世纪的加热机制。
为什么航天器飞得离太阳更近能揭示日冕加热的线索
这些观测核心的百年谜团是日冕加热问题：太阳的外层大气——日冕，其温度比下方的可见表面高出几个数量级。光球层的温度约为5800开尔文，但日冕的温度却达到了数百万开尔文。自从20世纪初首次推断出日冕的高温以来，能量如何从太阳较低层向上移动到稀薄等离子体并使其变得更热，一直是一个谜。
今年发表的新研究利用Parker的近距离测量数据，结合一种名为ALPS（Arbitrary Linear Plasma Solver，任意线性等离子体求解器）的数值分析工具，直接面对这一难题。ALPS允许科学家计算观测到的非麦克斯韦粒子速度分布如何与离子尺度的电磁波相互作用：哪些波被发射，哪些被吸收，以及交换了多少能量。其结果是比早期假设热平衡粒子群的模型更详细地说明了内日球层的能量流。
探测器的发现：波动、阻尼与缓慢冷却
这项新分析的头条新闻是，太阳风在逃离太阳时不仅仅是膨胀和冷却；相反，它正经历着来自小尺度波粒相互作用的持续加热。Parker的测量显示，离子速度存在持续的各向异性和偏离热平衡的现象，而ALPS表明，这些非热特征促使了离子尺度波的发射和吸收。特定粒子群对这些波的吸收将能量转移给粒子，并减缓了原本由单纯膨胀引起的冷却。
科学家将这种可观测的后果描述为“阻尼”：波动能量转化为粒子动能，并重新分配到离子和电子之间。这种阻尼是不均匀的——它取决于局部磁几何结构、速度分布的形状以及存在的波模式——而这种空间变化的加热有助于解释为什么日冕在靠近太阳的地方保持如此高温，以及太阳风在向外流动时如何获得速度。
对空间天气、卫星和天体物理学的影响
这些不仅仅是深奥的细节。更好地理解太阳风如何以及在哪里被加热，直接为预测日冕物质抛射和粒子风暴在向地球演化过程的模型提供了依据。对粒子分布和阻尼的更真实处理，将改变对太阳爆发在穿过日球层时速度和能量的计算。对于卫星运营商、电网和极地附近的航空航天线路来说，这可以转化为更完善的预警并降低风险。
除了近地环境，航天器在史无前例的近日飞行中所揭示的物理学具有广泛的影响。炽热的磁化等离子体在宇宙中无处不在——黑洞周围的吸积盘、其他恒星发出的星风，以及星系间稀薄的气体。同样类型的波粒过程和非热速度分布可能也控制着这些系统中的能量耗散，因此Parker的经验将在未来几年内被纳入天体物理模型。
这如何改变现状以及下一步计划
直到现在，许多模型仍将初生太阳风视为近似热平衡的，并对波动加热使用简化的处方。新的直接测量表明，这些假设忽略了重要的能量转移通道。通过将原位数据与ALPS等求解器相结合，研究人员现在可以预测哪些粒子群获得了能量，以及在什么径向距离上获得能量——这些预测可以通过Parker在太阳周期中采样日冕不同部分时的重复经过来验证。
下一步工作包括扩大分析的交会次数，将Parker的数据与其他航天器的远程观测进行对比，并将完善后的加热项纳入全局日球层模型。团队已经在努力绘制太阳大气中“不归路点”的地图——即等离子体脱离太阳磁场束缚的边界——并绘制阻尼和波吸收随太阳活动变化的图表。随着Parker继续降低其近日点，这些地图的分辨率和预测能力将会提高。
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