日冕為何高溫？帕克探測器或已解開關(guān)鍵物理謎團(tuán)

太陽這東西，怎么看都是個大火球，但仔細(xì)看，它其實挺怪的。

比如，它表面溫度5500℃，但外層的大氣，叫日冕，溫度能飆到一兩百萬度。你可以理解成：一個爐子的外面溫度比爐膛還高，聽著不太科學(xué)，但太陽就這么干了。

再比如，太陽不停地往外“刮風(fēng)”，噴射一股高速等離子體流，叫太陽風(fēng)，速度快到每秒幾百公里，一路沖出太陽系。但這些粒子在飛行過程中幾乎沒有碰撞，卻越飛越熱，越飛越快，這也挺不講理。

所以，科學(xué)家一直有兩個問號：

• 日冕為什么這么熱？
• 太陽風(fēng)是怎么被加速的？

過去幾十年，主流解釋基本靠“湍流耗散”這四個字糊過去。意思是：太陽磁場攪來攪去，產(chǎn)生湍流，這些湍流把能量一級一級傳下去，最后粒子就熱起來、飛起來了。

但這套說法有個大問題：沒有直接證據(jù)。

就像有人說廚房熱是因為水蒸氣轉(zhuǎn)化成氣壓，你問他怎么證明，他說：我猜的。你也說不出哪錯，但又總覺得不對。

這次 NASA 的帕克太陽探測器，終于幫我們“摸”到了實錘。

帕克號到底看到了什么？

帕克號是人類第一次往太陽“臉上糊探測器”的嘗試。它不是從遠(yuǎn)處觀察，而是直接飛進(jìn)了日冕，采樣那些離太陽最近的等離子體和磁場數(shù)據(jù)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象，之前大家都在理論上推過：湍流在傳播到一定尺度時，被卡住了。

它不是一路從大尺度傳到小尺度，而是在中間“撞上了堵墻”。

這堵墻，有個名字：螺旋障礙（Helicity Barrier）

什么是螺旋障礙？直白點說，它是一種“不想再攪了”的狀態(tài)

我們可以簡單理解磁湍流像一鍋湯，里面有大漩渦、小漩渦，它們彼此影響、能量層層流動。正常情況是大攪動帶動小攪動，最終熱量均勻分布。

但當(dāng)磁場結(jié)構(gòu)太復(fù)雜、太“纏繞”，尤其是出現(xiàn)了大量規(guī)則性的“旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)”之后，這種能量傳導(dǎo)就卡殼了——磁場不想繼續(xù)亂攪了。

這時候，湍流能量沒法向更小的尺度繼續(xù)傳遞，就像打蛋器打到一半，被鍋里的筋膜卡住了。你不加點力，攪不下去了。

這個“卡住”的點，就是所謂的“螺旋障礙”。

以前大家都說“有這么個東西”，但沒人真見過。

帕克號第一次在太陽風(fēng)數(shù)據(jù)里找到了它留下的“指紋”：湍流級聯(lián)突然下降、粒子速度譜發(fā)生變化、磁結(jié)構(gòu)高度有序化，等等。這是一整套信號，拼在一起，就是理論預(yù)測的螺旋障礙。

為什么這事重要？因為它能解釋一些你根本解釋不了的東西

比如說，太陽風(fēng)里的質(zhì)子，經(jīng)常比電子更熱

你仔細(xì)想想，這很反常。電子質(zhì)量輕、容易加速，加熱應(yīng)該更快才對?？商栵L(fēng)不是這么回事——質(zhì)子動不動就熱得離譜，電子像被冷落了一樣。

螺旋障礙能解釋這個。

因為能量在湍流中“卡住”以后，會改變它的釋放方式，形成選擇性加熱，而質(zhì)子這種“塊頭大”的粒子，在這個過程中更容易“吃到能量”。

再比如說，有些太陽風(fēng)特別“亂”，有些又特別“整齊”。以前很難解釋差異在哪兒，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)可能跟有沒有螺旋障礙有關(guān)，有沒有那堵“能量墻”，決定了這段太陽風(fēng)的“性格”。

那么問題來了：這種障礙是不是偶爾才出現(xiàn)的？

還真不是。

研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，螺旋障礙出現(xiàn)有兩個前提條件：

1. 磁場壓強(qiáng)必須比等離子體的熱壓強(qiáng)高，就是說磁場要“壓得住氣”。
2. 湍流波動必須有方向不對稱性，也就是“向前”和“向后”的波動不能太平均。

這兩個條件，在太陽風(fēng)的內(nèi)層區(qū)域（尤其接近日冕邊緣）其實經(jīng)常滿足。換句話說，這堵墻不是偶然路過的，是在太陽風(fēng)里根本就是常駐居民

也正因如此，這一機(jī)制可能影響了我們對太陽風(fēng)的整個理解框架。

這跟我們有什么關(guān)系？不僅有，而且關(guān)系很大

你可能覺得：行吧，太陽風(fēng)的粒子熱不熱關(guān)我屁事，我吹的是地球上的風(fēng)。

但別忘了，太陽風(fēng)影響著整個太陽系空間天氣，它跟磁暴、極光、衛(wèi)星通信干擾、電網(wǎng)異常甚至航空安全都直接相關(guān)。

這堵“能量墻”如果真是太陽風(fēng)加熱的核心機(jī)制之一，那它就成了影響我們地球“磁場安全”的重要變量。

而且，太陽風(fēng)并不是宇宙中唯一的“無碰撞等離子體”。

在星際介質(zhì)、星系團(tuán)、黑洞吸積盤周圍……幾乎到處都是這樣稀薄的、沒法靠碰撞加熱的等離子體。

如果太陽風(fēng)里的“螺旋障礙”是一個普遍規(guī)律，那它就能解釋很多星際加熱機(jī)制，也能為人類在聚變能開發(fā)中的等離子體控制提供新思路。

參考

DOI: 10.1103/PhysRevX.15.031008