折返科学：解释NASA的帕克太阳探测器的神秘磁力拼图

Parker Solar Probe观察到了折返现象-太阳风中的行进干扰导致磁场向自身弯曲-至今尚未解释的现象，可能有助于科学家发现有关太阳风如何从太阳中加速的更多信息。

当NASA的帕克太阳探测器从航行返回太阳的第一批观测数据时，科学家发现了洋流和海浪的狂野迹象，这与离我们星球更近的近地空间完全不同。大洋上充斥着所谓的折返路：在太阳磁场中快速翻转，从而像锯齿状的山路一样逆转方向。

科学家认为，将折返的故事拼凑在一起是理解太阳风的重要组成部分，太阳风是从太阳流出的恒定的带电粒子流。太阳风在整个太阳系中奔跑，形成了一个巨大的空间天气系统，我们定期从太阳系周围的各个有利位置进行研究，但是对于太阳最初如何成功发射这200万英里，我们仍然存在一些基本问题每小时的阵风。

太阳物理学家早就知道太阳风有两种味道：快风每秒传播大约430英里，慢风每秒传播接近220英里。快速风倾向于来自日冕孔，即充满开放磁场的太阳上的黑点。较慢的风从打开和关闭磁场混合的太阳部分中散发出来。但是，我们仍然需要了解许多驱动太阳风的因素，科学家们怀疑转折点（遍及整个点滴的快速的太阳能材料射流）会为它的起源提供线索。

自从发现以来，在研究人员试图解释电磁脉冲是如何形成的过程中，折返引起了一系列的研究和科学辩论。

NASA总部太阳物理学项目科学家Kelly Korreck说：“这是实际的科学过程。”“有各种各样的理论，随着我们获得越来越多的数据来测试这些理论，我们越来越接近找出折返及其在太阳风中的作用。”

电磁烟花

辩论的一方面是：一群认为回溯源于太阳大气中发生的剧烈磁爆炸的研究人员。

美国航空航天局与欧洲航天局的联合飞行任务尤利西斯首次观察到我们现在所说的折返的迹象，这是第一架飞越太阳两极的航天器。但是几十年后，当数据从帕克太阳探测器传到负责任务的马里兰州劳雷尔的约翰·霍普金斯应用物理实验室时，科学家惊讶地发现了这么多。

派克太阳探测器绕太阳旋转时的渲染图，比任何航天器都更接近恒星。

随着太阳旋转，其过热气体搅动，磁场在我们的恒星周围迁移。一些磁场线是开放的，就像丝带在风中飘扬。其他的则是封闭的，其两端或“脚点”都固定在太阳下，形成循环，随着灼热的太阳能材料而行进。一种理论-最初是在1996年基于Ulysses数据提出的-建议回切是开放磁场与闭合磁场之间发生冲突的结果。密歇根大学的科学家贾斯汀·卡斯珀（Justin Kasper）和列恩·菲斯克（Len Fisk）去年发表的一项分析进一步探讨了这一已有20年历史的理论。

当开放的磁场线掠过闭合的磁环时，它们可以在称为交换重新连接的过程中重新进行构图，这是磁场的爆炸性重新排列，从而形成折回形状。阿拉巴马州汉斯维尔大学的太阳物理学家加里·扎恩克（Gary Zank）说：“磁连接有点像剪刀和焊枪合而为一。”空心线咬合到闭环上，从环上释放出一股热等离子体，同时将两个场“胶合”成新的配置。这种突然的snap啪声在回路重新密封之前将S形扭结扔到开放的磁场线中，这有点像，例如，手的急促将发出一个S形波沿着绳子行进的方式。

其他研究论文也研究了重新连接烟花后如何形成折返。通常，这意味着建立数学模拟，然后将计算机生成的折返与Parker Solar Probe数据进行比较。如果它们非常接近，则用于创建模型的物理原理可能会成功地帮助描述折返的真实物理原理。

Zank领导了第一个折返模型的开发。他的模型表明不是一个，而是在重新连接期间产生了两个磁鞭：一个人向下走到太阳表面，另一个人拉到太阳风中。就像由一束较小的电线制成的电线一样，每个磁环也由许多磁场线组成。Zank说：“发生的情况是，每条导线都是重新连接的，因此您会在短时间内产生大量的折返。”

Zank和他的团队模拟了2018年11月6日观察到的首个折返派克太阳探测器。第一个模型很好地符合了观察结果，鼓励团队进一步发展它。该小组的研究结果于2020年10月26日发表在《天体物理学杂志》上。

由马里兰大学物理学家詹姆斯·德雷克（James Drake）领导的另一组科学家同意交换重连接的输入。但是，就回切本身的性质而言，它们是不同的。在其他人说折返是磁力线上的扭结的地方，德雷克（Drake）和他的团队建议帕克观察到的是一种磁结构的标志，这种磁结构称为通量绳。

在Drake的模拟中，现场扭结并没有走远，直到消失为止。他解释说：“磁场线就像橡皮筋，它们喜欢恢复原状。”但是科学家们知道，折返路必须足够稳定，才能走到派克太阳能探测器能够看到它们的地方。另一方面，磁通绳（被认为是许多太阳爆发的核心组成部分）更坚固。想象一个磁性条纹的糖果手杖。那是一条磁通绳：磁场条缠绕在一束更多的磁场周围。

德雷克（Drake）和他的团队认为，磁通绳可能是解释折弯的重要组成部分，因为它们应该足够稳定，可以走到派克太阳能探测器观察到的地方。他们的研究于2020年10月8日发表在《天文学和天体物理学》上，为构建基于磁通量绳索的模型以描述折返的起源奠定了基础。

这些科学家的共同点是，他们认为磁重连接不仅可以解释折返的形成方式，还可以解释太阳风是如何被加热以及如何从太阳中甩出来的。特别是，折返与缓慢的太阳风有关。每个折返都将一团热等离子体射入太空。“所以我们问，‘如果将所有这些爆发加起来，它们会为太阳风的产生做出贡献吗？’”德雷克说。

五个当前理论的插图，它们解释了折返的形成方式。图像未按比例绘制。

辩论的另一面是科学家，他们认为，回旋是在太阳风中形成的，这是湍流搅动它的副产物。

新西兰奥塔哥大学的空间物理学家乔纳森·斯奎尔（Jonathan Squire）就是其中之一。他使用计算机模拟研究了太阳风随时间的细微变化。Squire说：“我们要做的是尝试跟随一小部分血浆向外移动。”

每个包裹的太阳风在逃离太阳时都会膨胀，像气球一样爆炸。在太阳上起伏的波浪会在等离子体中产生微小的波纹，随着太阳风的扩散，波纹会逐渐增大。

Squire说：“它们首先以摆动的形式开始，但是随后我们看到的是，随着它们的进一步发展，它们变成了折返。”“这就是为什么我们认为这是一个非常引人注目的想法-它只是在模型中独立发生。”该团队无需将关于新物理学的任何猜测纳入他们的模型中-之所以出现折衷方案，是基于公认的太阳能科学。

斯奎尔（Squire）的模型于2020年2月26日发布，该模型表明，随着太阳风向太空的扩散，自然会形成逆转。他预测，太阳风中扩张更快的部分也应该有更多的折返-这一预测已经可以用最新的帕克数据集进行检验。

其他研究人员同意，折返是从太阳风开始的，但是怀疑当快速和慢速的太阳风相互摩擦时会形成折返。2020年10月由泰国曼谷玛希顿大学的Dave Ruffolo领导的一项研究概述了这一想法。

特拉华州纽瓦克大学的论文和空间物理学家合着的比尔·马特海斯（Bill Matthaeus）指出了快流与慢流之间的边界处的剪切作用。快慢之间的这种剪切产生了自然界中普遍可见的特征性漩涡，就像河水在岩石周围流动时形成的涡流一样。他们的模型表明，这些漩涡最终变成了折回，使磁场线向后卷曲。

派克太阳探测器飞行通过在太阳风的一条之字形路线的例证。

但是漩涡不会立即形成-太阳风必须非常快地移动才能弯曲原本为刚性的磁力线。太阳风的速度达到了距太阳约850万英里的速度。马修（Matheaus）的主要预测是，当帕克（Parker）比太阳离太阳更近时（应该在2021年4月29日，距离太阳650万英里的下一次近距离飞行中发生），这种折返应该消失。

Mattheaus说：“如果这是起源，那么当Parker进入下部电晕时，就不会发生剪切。”“因此，由我们描述的现象引起的切回应该消失。”

这些太阳风模型尚未成功模拟的折返的一方面是，当它们沿特定方向（与太阳旋转的方向相同）扭曲时，它们趋向于变强。但是，两个模拟都是在静止不动的太阳下创建的，这可能会有所不同。对于这些建模者，下一步是合并太阳的实际旋转。

扭曲在风中

最后，一些科学家认为，折返源于这两个过程，从重新连接或在太阳处的脚点运动开始，但直到它们进入太阳风后才逐渐发展为最终形状。2021年3月9日，新罕布什尔大学和普林斯顿大学的空间物理学家Nathan Schwadron和David McComas分别发表了一篇论文，采用了这种方法，认为当快速和慢速太阳风的流在其根部重新排列时，会形成折返。 。

重新排列之后，在相同的磁力线上，快风最终在“慢风”之后。（想象一下一群慢跑者在赛道上，奥林匹克短跑运动员紧随其后。）在慢速风和快速风相遇的任何情况下都可能发生这种情况，但最明显的是在太阳风快速诞生的日冕孔的边界。当日冕洞在整个太阳上迁移时，在慢速太阳风的气流下行走，这时慢速太阳风的脚点变成了快速风的来源。前面的慢流之后，快速的太阳风开始竞赛。最终，快风取代了慢风，使磁力线反转并形成折返。

Schwadron认为，日冕孔洞和太阳风源在整个太阳上的运动也是一个关键难题。他建议，在日冕孔洞的前缘重新连接可以解释为什么倒退趋势以“曲折”的方式与太阳的回转。

Schwadron说：“这些以这种特定方式定向的事实告诉我们一些非常基本的东西。”

Schwadron和McComas认为，虽然从太阳开始，但这些重新连接的流只会成为太阳风中的折返，因为太阳的磁力线具有足够的柔韧性，可以自我折返。

随着帕克太阳探测器的俯冲距离越来越近，科学家们会急切地寻找支持或揭穿其理论的线索。Zank说：“周围有不同的想法。”“最终会有结果。”

参考：“折价说明：N. A. Schwadron和D. J. McComas于2021年3月9日在《天体物理学杂志》上发表的文章。
10.3847 / 1538-4357 / abd4e6

派克太阳探测器是NASA的“星生活”计划的一部分，该计划旨在探索直接影响生命和社会的太阳—地球系统的各个方面。星空同住飞行计划由该机构位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心负责，由美国宇航局在华盛顿特区的科学任务委员会负责。约翰·霍普金斯大学应用物理实验室为美国宇航局执行任务。由海军研究实验室，普林斯顿大学，加利福尼亚大学，伯克利分校和密歇根大学领导的团队提供科学仪器。