来源：《科技日报》
美国著名太阳物理学家尤金·帕克于近日逝世，享年94岁。帕克是最早提出并通过数学计算证明“太阳风”存在的天文学家，对太阳物理学研究起到了奠基性作用。
2018年8月，以帕克命名的太阳探测器发射升空，当时91岁的帕克亲临发射现场观看了此次发射，而这也使得帕克号太阳探测器成为美国国家航空航天局（NASA）历史上第一个以在世科学家命名的探测器。
如今，帕克走了，但帕克号依然向着太阳前进。
图1。 左：美国太阳物理学家尤金·帕克（1927.06.10~2022.03.15）晚年工作照；右：美国NASA以帕克命名的帕克号太阳探测器示意图（图源：网络）太阳风理论颠覆人们对太阳大气认知
能够“冠名”太阳探测器，帕克对太阳领域的研究，究竟有着怎样的贡献？上世纪中叶，权威学者查普曼提出的静态太阳大气理论成为当时的主流观点。该理论认为，太阳大气一方面受到太阳超高温度下形成的向外膨胀力的作用，另一方面又受到太阳自身引力的作用，两种力实现平衡，形成了太阳大气的静止状态。
但也有科学家提出了不同看法，1956年德国科学家路德维希·比尔曼通过观察彗星“尾巴”的朝向指出，彗星的一条“尾巴”之所以总是背向太阳，是由于彗星的挥发物受到了太阳上吹来的风的影响，被吹向了与太阳相反的方向，从而形成了彗尾。
图2。 左：德国天文学家路德维希·比尔曼（1907.03.17~1986.02.12）；右：彗星靠近太阳时彗尾总是背离太阳示意图（图源：网络）这一学说在当时并未受到广泛认可，美国芝加哥大学教授约翰·辛普森便认为该学说与权威理论相悖，于是他将验证这一假说的任务交给了他的学生——尤金·帕克。
当时还是研究生的帕克便以查普曼的静态太阳大气理论为基础，进行数学推导。但最终得出的结果却令他大为震惊。计算结果显示，如果以静态太阳大气为条件，则在距离太阳无穷远的地方，依然存在着巨大的太阳大气压强。这个明显矛盾的结果让帕克意识到，查普曼的理论并不正确。再加之此前比尔曼提出的假说，帕克认为，太阳大气不是静止的，而是一直处于活跃状态，并持续向外抛出粒子。通过计算，帕克指出太阳大气粒子在脱离太阳引力后会不断加速，其在地球附近的速度可达到每秒数百公里，帕克将其命名为太阳风。
图3。 左：帕克关于太阳日冕和太阳风的宣传照；右：美国NASA的STEREO卫星观测到的太阳风（图源：网络）中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地主任邓元勇介绍，帕克的太阳风理论刚发表时便颠覆了人们对静态太阳大气的认知，遭到了当时科学界的普遍质疑。但是在1962年，“水手2号”探测器在前往金星的过程中，对太阳进行了连续100多天的观测，持续观测到了速度高达400—700公里/秒的带电粒子流，全面证实了太阳风的存在。人们终于认可了帕克此前提出的太阳风理论，而帕克也当之无愧成为了太阳风研究的奠基人。
不仅如此，邓元勇表示，帕克还在太阳磁重联、太阳发电机理论等方面，做出了开创性的工作。尤其是他与天文学家斯威特共同提出了斯威特—帕克磁重联模型，首次给出了磁重联定量的数学描述，为此后建立更为严格的磁重联理论奠定了基础。而在太阳发电机理论方面，帕克提出的科里奥利力与对流区湍流耦合理论，打破了此前托马斯·考林提出的发电机过程不能最终产生轴对称的磁场，即发电机产生的磁场必须是三维的反发电机理论模型，推动了太阳发电机理论发展；并且他还将太阳发电机理论延伸、拓展到了星系磁场，推动了星系发电机理论的发展。
图4。 左：磁重联示意图；右：斯威特—帕克磁重联模型（图源：引自Ji et al。 1999， Phys。 Plasmas， Vol。 6， No。 5）
研究太阳是开展空间活动的必然需求
帕克是太阳风之父，而帕克号也承担着研究太阳风，尤其是太阳风暴的任务。如果说正常状态下的太阳风还称得上是“微风和煦”，那么能量大得多的太阳风暴则可以算是“狂风暴雨”了。在今年2月初，由太阳风暴引发的地磁暴，便有可能是SpaceX公司的40颗“星链”卫星未能升至预定轨道而宣告报废原因之一。
图5。 日冕物质抛射和磁云形成的太阳风暴（图源：汪景琇院士报告）太阳的“脾气”阴晴不定、难以捉摸，但也并非完全不可预测。邓元勇表示，太阳高能粒子到达地球至少需要数小时，等离子云到达地球则至少需要两三天，所以目前人类已经可以对太阳风暴进行一定的预报。但他也指出，仅靠目前的地面装置还无法对太阳风进行更为深入的研究，“实际观测的太阳风速度要远大于理论值，它是如何被加速的？太阳风中粒子温度存在各向异性，又是如何形成的？这些重要的问题我们目前都还没有定论。”
而相较于地面设施，帕克号太阳探测器最独特的优势，便是它能够前所未有地接近太阳。“它距离太阳最近时仅约9个太阳半径，相较于地面观测缩短了96%的距离。”中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地副研究员宋永亮表示，凭借这一无与伦比的优势，帕克号可以探测到初始太阳风的性质，研究太阳局地日冕磁场和粒子运动的耦合，这是地面及地球轨道探测器所不可比拟的。
宋永亮认为，从人类生存及技术应用的角度来说，对太阳风性质的探究和对日冕物质抛射的预测，是人类进行空间活动的必然需求，也是人类理解生命起源，寻找地外生命的重要基础。而帕克号太阳探测器也将在太阳磁场、等离子体、高能粒子、太阳风性质等方面展开深入研究，帮助科学家加深对太阳活动的认知。
图6。 由太阳风和日冕物质抛射扩展到地外恒星-行星系统及地外生命探测的最新研究成果举例太阳探测进入“触摸式”时代
2021年12月，NASA发布消息称，帕克号太阳探测器已于2021年4月成功穿过太阳外层大气，并对其进行了粒子和磁场采样，这也是人类探测器首次成功进入太阳大气。
科学家普遍认为，在太阳大气最外层存在着一个阿尔芬临界面，它标示着太阳大气的终结和太阳风的开始。根据此前的研究估计，该临界面距离太阳表面在10到20个太阳半径之间。穿过这个临界面，便意味着真正进入了太阳大气。
图7 帕克太阳探测器轨道示意图（图源：NASA网站）在此次穿越中，帕克号太阳探测器采取了循序渐进的策略，其首先围绕着太阳“转圈圈”，逐步接近太阳大气外层；随后，找准时机以每小时69.2万公里的超高速度飞行至距离太阳表面18.8个太阳半径处；在这里，帕克号检测到了特定的磁场和粒子条件，这意味着帕克号正式进入了太阳大气；随后帕克号又似穿针引线般，反复进出太阳大气，在这一过程中，帕克号发现阿尔芬临界面不是光滑的球形，它的表面有着起伏的峰谷，而将这些峰谷与太阳表面活动联系起来进行研究，可以帮助科学家了解太阳活动是如何影响太阳大气和太阳风的。
图8。 帕克太阳探测器靠近太阳观测示意图（图源：NASA网站）在此次帕克号进入太阳大气之前，距离太阳最近的人造探测器是“太阳神2号”，其在1976年时曾抵达过距离太阳4273万公里处。而帕克号之所以能够和太阳来个前所未有的“亲密接触”，主要得益于其“夹心饼干”结构的隔热罩。该隔热罩被安装在探测器面向太阳的一侧，由厚度约为12厘米的碳复合材料制成，具体结构为两块碳纤维面板之间夹着一层厚约11.4厘米的碳复合泡沫材料。凭借着这块“夹心饼干”的保护，隔热罩面向太阳的一侧温度高达约1371摄氏度，而隔热罩的另一侧则仅为29摄氏度。
按照计划，帕克号接下来将在2024年12月，逼近至距离太阳表面约616万公里处，有望再次打破它自己保持的人造探测器靠近太阳的极限距离。
用邓元勇的话说，帕克号太阳探测器正将人类对太阳的研究真正推入到“触摸式”时代。
审核：邓元勇
配图：宋永亮
责编：袁凤芳
