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尤金·帕克与太阳风

作者:李会超 来源:界面新闻 原标题:【视频】我,尤金·帕克,决定把它叫做太阳风

       8月11日,帕克太阳探测器将由Delta-4重型火箭发射升空,7年后,它将到达距离太阳仅约590万千米的地方,开展人类历史上第一次太阳活动的源头采样。而帕克探测器的命名,也恰恰来自现代太阳风和磁重联理论的奠基人、美国科学院院士——尤金·纽曼·帕克(Eugene Newman Parker)。今天就来说说帕克探测器的来龙去脉。

帕克探测器逐渐接近太阳示意图(图片来源:NASA)

         什么吹拂了彗星?

       1956年,美国芝加哥大学,空间与天体物理实验室。

       辛普森教授觉得来自德国的德维希·比尔曼博士的思路似乎跑偏了,他把一个名叫尤金·帕克的年轻人叫来一起讨论这个问题。

       约翰·辛普森教授是芝加哥大学空间与天体物理实验室的创始人,这位具有高能物理背景的科学家曾作为组长,参与到研发第一颗原子弹的“曼哈顿计划”中。当原子弹终于将法西斯魔鬼关进牢笼时,辛普森教授将研究方向转向了自己真正喜爱的宇宙线和日地物理。刚刚,从德国远道而来的比尔曼博士向辛普森教授展示了自己最新的研究成果,试图说服辛普森接受一个事实:除了光和热,太阳还在源源不断的向外释放物质。

约翰·辛普森教授(图片来源:https://en.wikipedia.org/wiki/John_Alexander_Simpson)

         比尔曼发现,彗星在太空中穿行时,会出现两个指向不同的尾巴。其中一个慧尾,无论彗星是朝向太阳还是远离太阳运动,总指向背离太阳的方向。比尔曼推测,太空中应在存在一些流动的物质,吹拂着彗星,形成了这个特别的慧尾,而这些物质的来源就是太阳。

图中的Gas tail,即为彗星被太阳风吹拂形成的“气体尾”,也称“离子尾”。这个慧尾总是指向远离太阳的方向。(图片来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Comet_tail)

       但辛普森教授无论如何都难以接受这个结论。按照当时日地物理界权威查普曼的理论,太阳大气的形态与地球类似,由日冕高温产生的向外膨胀的力和太阳对日冕物质的引力相平衡,形成了静止的太阳大气。也就是说,日冕是静止的,而不是动态的,更不会向外释放物质。辛普森教授觉得,就算某些时刻太阳的确向外抛出了什么东西,这个过程也只会在某些时刻发生,而不会持续吹拂彗星的尾巴。在比尔曼博士走后,辛普森教授把比尔曼带来的资料交给帕克,希望帕克能进一步看看比尔曼的研究到底哪里出了问题。

       那时,马上就要奔三的帕克几年前刚刚拿到博士学位,在芝加哥大学谋到一份教职。像小帕这种愣头青,在学术圈中的地位是无法与辛普森、查普曼这两位大牛相比的。 对于个人发展来说,比较“精明”的选择是抱紧牛人的大腿,好发论文拿项目。在外界看来,辛普森多半只是想让帕克再去给比尔曼挑点刺,把太阳向外释放物质的歪理邪说扼杀在萌芽之中。


年轻时的帕克博士(图片来源:芝加哥大学)

       帕克的叛逆

       出乎辛普森教授意料的是,帕克反水了!

       几个月后,帕克约见了约翰·辛普森教授。见面后,帕克斩钉截铁的说:“约翰,比尔曼是对的,查普曼搞错了!太阳的大气不是静止的,而是动态的。在日冕几百万的的高温驱动下,整个日冕将会沸腾,有些东西将会喷涌而出。虽然它有时多,有时少,但从来不会消失。我,尤金·帕克,决定把它叫做太阳风!”

       其实,证明日冕大气不是静止的物理相当简洁。日冕中的物质主要受到两个力,一个是太阳的万有引力,另一个则是日冕因为高温而产生的向外膨胀的力。如果日冕中太阳大气处于静止,则这两个力必须完全平衡。以此为物理模型,求解一个一维方程后会发现一个与观测相悖的矛盾:在无穷远处,太阳风的压强比星际介质压强大几个量级,二者根本无法平衡。

日食期间拍摄到的白光日冕形态,太阳风就沿着那些向远处延伸的条纹涌向太空之中。(图片来源:https://wordlesstech.com/solar-corona-in-total-eclipse/)

       而如果让太阳日冕动起来,让它在日冕高温产生的热压梯度力驱动下克服重力,不断的向太空中流去,求解新的方程后会得到一副全新的图像:太阳大气中的物质从太阳表面开始被逐渐加速,最终由亚音速态变成了超音速态,在地球附近的速度能够达到数百公里每秒。这样的物理图像不但能够解决查普曼的静止大气模型所面临的理论困境,还能够解释比尔曼对慧尾的观测结论。

       于是太空变得不再空了,成了一个热闹的、多变的、充满活力的地方。

       然而对于帕克这个惊世骇俗的发现,辛普森教授表现得完全不感冒。也许是受查普曼的思想荼毒太深,作为帕克上司的辛普森拒绝支持帕克的结论。据在同一个实验室工作的凯恩博士回忆,辛普森和帕克当时的对话是:

       辛普森:“你真打算把你的理论拿去发表?”

       帕克:“除非咱们芝加哥大学命令禁止我这么做,否则我一定要发表。”

       辛普森:“咱们芝加哥大学开放得很,什么怪异的理论都能拿去投稿。但是帕克,你听着,看在上帝的份上,你可千万别把我的名字写在论文上。”

       来自太空中的证据

       为了让自己的理论被学界了解,帕克经历了相当艰辛的论文发表过程。一个初出茅庐的年轻人加一个挑战权威的开创性理论,等于一篇在一年内被多家学术期刊拒稿的论文。最后,走投无路的尤金·帕克遇到了命中的贵人,天文学家钱德拉塞卡。钱德拉塞卡此时正在距离芝加哥大学一百英里的叶凯士天文台工作,每周要来芝加哥大学讲课两次。钱德拉塞卡还是《天体物理学杂志》(Astrophysical Journal, 业内简称APJ)的主编,掌握着论文的生杀大权。在看到帕克塞过来的论文后,钱编辑怜悯的说:“尤金啊,我也觉得你小子在胡扯。但是我还是想给你一个发表的机会。”于是,这篇历经坎坷的论文终于得以在1958年,在APJ第128卷第664页与广大同行见面。

感兴的读者可以在https://doi.org/10.1086/146579下载这篇论文,只需本科物理专业毕业生水平即可读懂。

       发表后,帕克的论文在学术界得到的反应相当冷淡。既没有什么人支持他的结论,也没有什么人发表论文激烈的反驳他。在一次又一次的学术会议上,帕克拼命向与会的科学家宣讲自己的太阳风理论,但招来的总是尖锐的批评。

       在一片苦痛中,帕克将希望寄予在了人类刚刚拥有的航天能力上。正如他1959年发表在地球物理学研究(Journal of Geophysical Research,业内简称JGR)那篇论文中所写:

       “人们或许会问,这些理论该如何被检验。我想,不久之后就能获得决定性的证据。MIT的罗西教授正在推动一项观测计划,在那个计划中,从太阳被吹拂出来的物质将被NASA的一艘探测器直接测量。”


事情已经过去六十年了,但帕克教授对当年的遭遇仍然难以释怀(截图自:https://www.bilibili.com/video/av27444600。)

       证据不久之后就来了!随着美苏两国太空竞赛如火如荼的进行,能够到达太空中新的区域的卫星被不断的设计和制造出来。1959年,在苏联用于探月的月球3号卫星数据中,苏联科学家们发现了持续的远离太阳的带电粒子流,但还无法侧准粒子流的速度。1961年,美国的探测者10号卫星断案的飞出了地球磁场能够控制的区域,发现了速度在300公里/秒的带电粒子流,给太阳风的发现写好了“引子”。1962年,水手2号持续104天的观测数据为太阳风的存在带来了“实锤”。水手2号探测到了远离太阳的高速带电粒子流,其速度在400到700公里/秒间变化,但从来没有中断过。太空不空,太空中有太阳风!

水手2号,帕克的“福星”(图片来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Mariner_2)

       此时,人们才想起了芝加哥大学中的“卧龙”帕克早就在几年之前就已经看透了这一切。随着卫星观测的不断深入,人们开始怀疑帕克是不是在梦中和上帝通过电话:行星际磁场在地球附近的径向分量和切向分量的比的确符合帕克提出的螺旋线结构理论,而行星际磁场极性(也就是符号、方向)的变化,也与帕克预言的一模一样。


       以他之名,解他之谜

       今年,帕克教授已是91岁高龄。1958年那篇多次被拒稿、发表后又遇冷的论文,已经被引用了1916次(2018年7月26日ADS数据库数据)。而对太阳风进行研究的人,已经从孤身一人的帕克,变成了全世界空间物理和空间天气领域里众多的科技工作者。笔者也有幸从事这方面的研究,所在的课题组开发改进了一系列复杂的三维磁流体力学太阳风模型,它能够在超级计算机中重现整个日冕-行星际空间中接近真实的太阳风结构。我们的模型启动时,依然会使用帕克那个简洁的太阳风模型生成计算的等离子体初始条件。在CPU和内存中的0101之间,帕克的智慧跨越时间和空间,闪耀着光辉。

       一开始,帕克太阳风探测器的名字仅仅是“太阳风探测器”(Solar Probe)。后来,苹果手机教坏了科学家们,让他们将修改后的探测器设计称为“太阳风探测器Plus”(Solar Probe Plus)。据帕克教授回忆,某天他的一位朋友打电话给他,说他们正在商量将一艘探索太阳风未解之谜的探测器以帕克教授的名字命名,帕克教授欣然同意,帕克太阳风探测器便正式诞生了!

帕克太阳风探测器命名仪式上的帕克教授(图片来源:NASA)

       帕克发现太阳风后,留给后来人两道未解的谜题:日冕的数百万度高温是如何形成的?太阳风具体是通过怎样的物理过程才加速到超音速状态的?在60年的过程中,研究者们提出了不少理论来解释这一点,爆发了激烈的争论。

       和六十年前卫星的观测数据迅速终结了太阳风是否存在的争论一样,即将发射的帕克太阳风探测器将深入日冕一探究竟,终结旷日持久的争论。帕克太阳风探测器与地面的通讯主要在轨道的远日端进行,而在日冕中进行科学探测时,帕克太阳风探测器只能向地球发出“我很好,还在工作”这样非常有限的信息,也听不到地面对她的指令。在很多时候,她都像六十年前的帕克教授一样,孤身一人承受着来自太阳的炙热辐射,在日冕中独自追寻着太阳风的秘密。

       最终,她将以帕克的名义,解开帕克的谜题。

文章原载于界面新闻 2018年08月13日 【视频】我,尤金·帕克,决定把它叫做太阳风 来源:中国科普博览

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帕克,太阳风

编辑:木樨

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