在太阳的最近一次飞越中检测到的高能粒子爆发

帕克森太阳探测器搭载普林斯顿大学主导的IS？IS仪器，在太阳的前两次飞越中，检测到了令人惊讶的各种活动，这些活动是由太阳高能粒子引起的—急速的电子，质子和其他离子在太阳风之前飞出-可能会破坏太空旅行和地球上的通信。这些观察仅仅是探索这些粒子事件如何形成的开端，这些发现将为有关太阳，太空天气和宇宙射线的更广泛的问题提供启发。来自太阳的最大威胁之一是对宇航员以及提供GPS地图，手机服务和互联网访问的卫星的威胁，它们是从太阳爆发而来的高能粒子。最佳：2018年11月17日，即当年的321日，Parker Solar Probe的IS？IS观测到高能质子的爆炸，每个质子都具有超过100万电子伏特的能量。较暖的颜色（黄色，橙色，红色）表示击中IS？IS传感器的这些高能粒子的数量增加了。底部：艺术家对这些高能粒子事件之一的表示。

根据有史以来最接近的太阳掠过的结果，从太阳射出来的高能粒子的爆发可能会破坏太空通讯，并且比以前认为的还要多，而且数量众多。

这些新发现有助于我们了解太阳的活动，并最终可以为太阳风暴提供预警。这些新发现来自NASA帕克太阳探测器上的四套仪器之一，该航天器已经完成了在火球附近的首次飞行。所有这四个套件的结果今天都出现在《自然》杂志上发表的一组文章中。

这些高能粒子事件比以前已知的更加多样且数量众多，这一发现是由普林斯顿大学牵头的一个涉及多个机构的项目，被称为“太阳综合科学调查”（ISʘIS）的仪器套件的多项发现之一。作为NASA。

ISʘIS仪器套件的首席研究员，普林斯顿大学天体物理科学教授，普林斯顿等离子体物理实验室副总裁戴维·麦科马斯（David McComas）表示：“这项研究标志着人类对近日环境的侦查具有重大意义。”“它提供了对太阳高空电晕上方区域高能粒子环境的首次直接观察。

麦科马斯说：“看到这些观察是一个持续的'尤里卡时刻'。”“每当我们从航天器收到新数据时，我们都会目睹前所未有的事物。那差不多就可以了！”

在帕克太阳探测器的前两个轨道期间，IS？IS检测到许多小的高能粒子事件，即太阳爆发，在此期间，从太阳中流出的粒子的速率迅速增加。在IS？IS上，Epi-Lo仪器可测量数以万计电子伏特的粒子，而Epi-Hi仪器可测量具有数百万至数亿电子伏特的粒子。（仅供参考，您家里的电是120伏。）在这里，来自轨道1（左）和轨道2（右）的数据显示了IS？IS粒子计数率，沿着代表Parker Solar Probe轨迹的黑线用彩色条覆盖。较低的能量（“ Lo”）率位于轨道内部，而较高的能量（“ Hi”）率位于外部。大小和颜色都与测得的速率相对应，因此，当太阳在短时间内释放出最多的粒子时，大的红色条表示最大的爆发。

ISʘIS试图找出粒子如何变得如此快速地运动，以及促使它们加速的原因。寻找这些答案的科学家包括来自加州理工学院（Caltech），约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（APL），美国宇航局戈达德太空飞行中心，美国宇航局喷气推进实验室，新罕布什尔大学，西南研究所的ISʘIS团队成员，特拉华大学和亚利桑那大学，以及加州大学伯克利分校，伦敦帝国理工学院，密歇根大学，史密森尼天体物理学天文台和法国国家科学研究中心的合作者。

高能粒子会破坏通信和全球定位系统（GPS）卫星。这些主要由质子组成的粒子流有两个来源。首先是从太阳系外产生的，这是恒星爆炸时释放出被称为宇宙射线的粒子流所产生的。另一个是我们的阳光。两者都可能损坏航天器的电气系统，并且都是会损害宇航员健康的辐射形式。

这些高能粒子的飞行速度比太阳风快得多，太阳风是每小时将大约一百万英里的热带电气体吹走的太阳。如果太阳风是一条小溪，那么高能粒子就是鱼，它们会跳出来并跳到水流的前面。粒子沿着被称为磁通管的路径传播，该路径从电晕延伸到太阳风中。

顶部面板显示了日冕物质抛射（CME）的示意图，在此期间，太阳爆发了与密歇根湖一样大的物质。这些可能对宇航员和太空卫星构成危险，但是IS？IS科学家发现，微小的高能粒子会在射出的质量之前冲出，从而提前警告即将到来的威胁。底部面板显示了IS？IS的EPI-Lo（顶部）检测到的质子通量，以及观测到CME前后的磁场测量值（底部）。高能粒子在射出质量的前一天到达了Parker Solar Probe。

了解这些粒子可以改善太空天气预报，并对可能破坏地球通讯和太空旅行的大风暴提供预警。

拉尔夫·麦克纳特（Ralph McNutt）表示：“回答有关高能粒子如何形成和加速的问题非常重要，”拉尔夫·麦克纳特（Ralph McNutt）负责监督这套套件的两种仪器的低能耗建设，并且是APL太空探索部门的首席科学家。这些微粒影响我们在地球上的活动以及影响我们将宇航员送入太空的能力。我们正在通过这一使命创造历史。

普林斯顿大学天体物理科学系副研究员Jamey Szalay说，由于它们的速度，这些粒子可以作为太空天气的预警信号，他负责ISʘIS的数据可视化工作。“这些粒子运动很快，因此，如果即将发生强烈的太阳风暴，这些粒子将是第一个指标。”

以前对太阳能高能粒子的大多数研究都依赖于位于太空中的探测器，该探测器与太阳的距离与地球的距离相同，即距地球9300万英里。到粒子到达那些检测器时，由于来自各种来源的粒子已经相互作用并混合在一起，因此很难跟踪它们的来源。

麦考马斯说：“这有点像汽车从拥挤的隧道和桥梁中驶来，并散布到州际公路上。”“他们离开时会变得更快，但是它们也会混杂在一起并以无法得知谁是谁来的方式互动，因为你离源头越来越远。”

在首次绕太阳旅行时，帕克太阳探测器的距离太阳比以前的任何航天器都快两倍。该飞船距离火星表面最近的距离是1400万英里（即35太阳半径，即太阳的17.5宽度）。

ISʘIS的副首席研究员，美国宇航局戈达德（NASA Goddard）的高级研究科学家埃里克·克里斯汀（Eric Christian）表示，接近太阳对于弄清这些粒子如何形成并获得高能量至关重要。“就像通过研究山的底部来衡量山中正在发生的事情。要知道发生了什么，您必须去做以下事情：您必须上山。”

研究人员可能担心的是，太阳11年的活动周期目前处于较低水平。但是事实证明，低活动水平是一个优势。

物理学和天文学教授，新罕布什尔大学ISʘIS科学运作中心负责人内森·施瓦德隆（Nathan Schwadron）说：“太阳很安静，这使我们能够分析极端孤立的事件。”“这些事件在遥远的地方还没有看到，因为它们只是被太阳风活动所破坏。”

在其最初的两个轨道上，ISʘIS观察到了几种引人入胜的现象。一个是高能粒子活动的爆发，它与日冕质量抛射同时发生，是电晕中激发和磁化粒子的剧烈喷发。在射出之前，ISʘIS检测到了相对较低的高能粒子的聚集，而在射出之后则发现了高能粒子的聚集。这些事件很小，在地球轨道上是无法检测到的。

ISʘIS的另一项观测结果是粒子活动表明某种太阳风交通阻塞，这是在太阳风突然减速时发生的，从而导致快速移动的太阳风在其后堆积并形成一个压缩的粒子区域。天体物理学家称之为同向旋转相互作用区域的这种堆积发生在地球轨道之外，并将高能粒子送回太阳，ISʘIS观测到了它们。

研究人员渴望了解太阳将粒子加速到高速的机制。ISʘIS对每个粒子身份的检测-无论是氢，氦，碳，氧，铁还是其他元素-都将有助于研究人员进一步探讨这个问题。

“有两种加速机制，一种是在磁场重新连接时发生在太阳耀斑中，另一种是当您受到太阳风的冲击和压缩时发生的，但是关于它们如何引起粒子加速的细节还没有被很好地理解， ” NASA喷气推进实验室的首席科学家Mark Wiedenbeck说道，他监督了ISʘIS套件中更高能级仪器的开发。“颗粒的组成是告诉我们加速机制的关键诊断。”

ISʘIS于9月1日在太阳下进行了第三次刷，并将在2020年1月29日进行下一次刷。随着任务的继续，卫星将绕轨道24圈，每次都离太阳表面越来越近，直到它离恒星大约五个太阳宽度。研究人员希望未来的飞越能够揭示出高能粒子来源的真知灼见。它们是否从获得更高能量的“种子粒子”开始？

普林斯顿大学的博士后研究员杰米·苏·兰金（Jamie Sue Rankin）在麦考马斯小组工作，从加州理工学院毕业后就开始从事高能IS studentIS仪器的研究。

兰金说：“很高兴看到整个过程在过去十年中得到发展。”“就像冲浪一样：我们制造了这些仪器，确保它们可以正常工作，并进行了调整以确保校准正确无误-现在是令人兴奋的部分，回答了我们要解决的问题。

她说：“对于任何航天器，当您进入太空时，您都认为自己知道会发生什么，但是总会有奇妙的惊喜使我们的生活变得最好。”“这就是让我们继续做自己的事的原因。”

参考：DJ McComas，ER Christian，CMS Cohen，AC Cummings，AJ Davis，MI Desai，J。Giacalone，ME Hill，CJ Joyce，SM Krimigis，AW Labrador，RA Leske，O的“探测太阳附近的高能粒子环境”。 Malandraki，WH Matthaeus，RL McNutt Jr，RA Mewaldt，DG Mitchell，A.Posner，JS Rankin，EC Roelof，NA Schwadron，EC Stone，JR Szalay，ME Wiedenbeck，SD Bale，JC Kasper，AW Case，KE Korreck，RJ MacDowall，M.Pulupa，ML Stevens和AP Rouillard，2019年12月4日，自然。
10.1038 / s41586-019-1811-1

这项工作是根据NASA合同NNN06AA01C进行的派克太阳探测器任务的一部分。