出品：科普中國
製作：哈爾濱工業大學（深圳）博士後 李會超
監製：中國科學院電腦網絡資訊中心
編者按：8月11日，帕克太陽探測器將由Delta-4重型火箭發射升空，歷時7年抵達目標軌道，在日冕之內實地勘測太陽風，探索日冕加熱、太陽風加速和高能粒子產生的機理。
帕克探測器逐漸接近太陽示意圖（圖片來源：NASA）
作為第一次太陽活動的源頭采樣，帕克探測器對於認識太陽以及太空氣象的意義重大，將第一次實現人類與太陽接觸的亙古夢想。而帕克探測器的命名，也恰恰來自現代太陽風和磁重聯理論的奠基人、美國科學院院士——尤金·紐曼·帕克(Eugene Newman Parker)。
什麽吹拂了彗星？
1956年，美國芝加哥大學，太空與天體物理實驗室。
辛普森教授覺得來自德國的德維希·比爾曼博士的思路似乎跑偏了，他把一個名叫尤金·帕克的年輕人叫來一起討論這個問題。
約翰·辛普森教授是芝加哥大學太空與天體物理實驗室的創始人，這位具有高能物理背景的科學家曾作為組長，參與到研發第一顆原子彈的“曼哈頓計劃”中。當原子彈終於將法西斯魔鬼關進牢籠時，辛普森教授將研究方向轉向了自己真正喜愛的宇宙線和日地物理。剛剛，從德國遠道而來的比爾曼博士向辛普森教授展示了自己最新的研究成果，試圖說服辛普森接受一個事實：除了光和熱，太陽還在源源不斷的向外釋放物質。
約翰·辛普森教授
△圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/John_Alexander_Simpson
比爾曼發現，彗星在太空中穿行時，會出現兩個指向不同的尾巴。其中一個慧尾，無論彗星是朝向太陽還是遠離太陽運動，總指向背離太陽的方向。比爾曼推測，太空中應在存在一些流動的物質，吹拂著彗星，形成了這個特別的慧尾，而這些物質的來源就是太陽。
Gas tail，即為彗星被太陽風吹拂形成的“氣體尾”，也稱“離子尾”。慧尾總是指向遠離太陽的方向。
△圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Comet_tail
但辛普森教授無論如何都難以接受這個結論。按照當時日地物理界權威查普曼的理論，太陽大氣的形態與地球類似，由日冕高溫產生的向外膨脹的力和太陽對日冕物質的引力相平衡，形成了靜止的太陽大氣。也就是說，日冕是靜止的，而不是動態的，更不會向外釋放物質。辛普森教授覺得，就算某些時刻太陽的確向外拋出了什麽東西，這個過程也只會在某些時刻發生，而不會持續吹拂彗星的尾巴。在比爾曼博士走後，辛普森教授把比爾曼帶來的資料交給帕克，希望帕克能進一步看看比爾曼的研究到底哪裡出了問題。
那時，馬上就要奔三的帕克幾年前剛剛拿到博士學位，在芝加哥大學謀到一份教職。像小帕這種愣頭青，在學術圈中的地位是無法與辛普森、查普曼這兩位大牛相比的。 對於個人發展來說，比較“精明”的選擇是抱緊牛人的大腿，好發論文拿項目。在外界看來，辛普森多半只是想讓帕克再去給比爾曼挑點刺，把太陽向外釋放物質的歪理邪說扼殺在萌芽之中。
年輕時的帕克博士
△圖片來源：芝加哥大學
帕克的叛逆
出乎辛普森教授意料的是，帕克反水了！
幾個月後，帕克約見了約翰·辛普森教授。見面後，帕克斬釘截鐵的說：“約翰，比爾曼是對的，查普曼搞錯了！太陽的大氣不是靜止的，而是動態的。在日冕幾百萬的的高溫驅動下，整個日冕將會沸騰，有些東西將會噴湧而出。雖然它有時多，有時少，但從來不會消失。我，尤金·帕克，決定把它叫做太陽風！”
其實，證明日冕大氣不是靜止的物理相當簡潔。日冕中的物質主要受到兩個力，一個是太陽的萬有引力，另一個則是日冕因為高溫而產生的向外膨脹的力。如果日冕中太陽大氣處於靜止，則這兩個力必須完全平衡。以此為物理模型，求解一個一維方程後會發現一個與觀測相悖的矛盾：在無窮遠處，太陽風的壓強比星際介質壓強大幾個量級，二者根本無法平衡。
日食期間拍攝到的白光日冕形態，太陽風就沿著那些向遠處延伸的條紋湧向太空之中。
△圖片來源：https://wordlesstech.com/solar-corona-in-total-eclipse/
而如果讓太陽日冕動起來，讓它在日冕高溫產生的熱壓梯度力驅動下克服重力，不斷的向太空中流去，求解新的方程後會得到一副全新的影像：太陽大氣中的物質從太陽表面開始被逐漸加速，最終由亞音速態變成了超音速態，在地球附近的速度能夠達到數百公里每秒。這樣的物理影像不但能夠解決查普曼的靜止大氣模型所面臨的理論困境，還能夠解釋比爾曼對慧尾的觀測結論。
於是太空變得不再空了，成了一個熱鬧的、多變的、充滿活力的地方。
然而對於帕克這個驚世駭俗的發現，辛普森教授表現得完全不感冒。也許是受查普曼的思想荼毒太深，作為帕克上司的辛普森拒絕支持帕克的結論。據在同一個實驗室工作的凱恩博士回憶，辛普森和帕克當時的對話是：
辛普森：“你真打算把你的理論拿去發表？”
帕克：“除非咱們芝加哥大學命令禁止我這麽做，否則我一定要發表。”
辛普森：“咱們芝加哥大學開放得很，什麽怪異的理論都能拿去投稿。但是帕克，你聽著，看在上帝的份上，你可千萬別把我的名字寫在論文上。”
來自太空中的證據
為了讓自己的理論被學界了解，帕克經歷了相當艱辛的論文發表過程。一個初出茅廬的年輕人加一個挑戰權威的開創性理論，等於一篇在一年內被多家學術期刊拒稿的論文。最後，走投無路的尤金·帕克遇到了命中的貴人，天文學家錢德拉塞卡。錢德拉塞卡此時正在距離芝加哥大學一百英裡的葉凱士天文台工作，每周要來芝加哥大學講課兩次。錢德拉塞卡還是《天體物理學雜誌》（Astrophysical Journal, 業內簡稱APJ，或者AP勾）的主編，掌握著論文的生殺大權。在看到帕克塞過來的論文後，錢編輯憐憫的說：“尤金啊，我也覺得你小子在胡扯。但是我還是想給你一個發表的機會。”於是，這篇歷經坎坷的論文終於得以在1958年，在AP勾……啊不APJ第128卷第664頁與廣大同行見面。
△圖片來源：https://doi.org/10.1086/146579
在撰寫本文時，為了向帕克的智慧致敬，我曾經將Parker在1958年發表的論文中的一些公式及其意義寫在了初稿中。好在負責的編輯及時製止了這種有害於科普文章傳播的行為。感興趣的讀者可以在https://doi.org/10.1086/146579下載這篇論文，只需本科物理專業畢業生水準即可讀懂。
發表後，帕克的論文在學術界得到的反應相當冷淡。既沒有什麽人支持他的結論，也沒有什麽人發表論文激烈的反駁他。在一次又一次的學術會議上，帕克拚命向與會的科學家宣講自己的太陽風理論，但招來的總是尖銳的批評。在一片苦痛中，帕克將希望寄予在了人類剛剛擁有的航天能力上。正如他1959年發表在地球物理學研究（Journal of Geophysical Research，業內簡稱JGR）那篇論文中所寫：
“人們或許會問，這些理論該如何被檢驗。我想，不久之後就能獲得決定性的證據。MIT的羅西教授正在推動一項觀測計劃，在那個計劃中，從太陽被吹拂出來的物質將被NASA的一艘探測器直接測量。”
事情已經過去六十年了，但帕克教授對當年的遭遇仍然難以釋懷
△截圖自：https://www.bilibili.com/video/av27444600
證據不久之後就來了！隨著美蘇兩國太空競賽如火如荼的進行，能夠到達太空中新的區域的衛星被不斷的設計和製造出來。1959年，在蘇聯用於探月的月球3號衛星數據中，蘇聯科學家們發現了持續的遠離太陽的帶電粒子流，但還無法側準粒子流的速度。1961年，美國的探測者10號衛星斷案的飛出了地球磁場能夠控制的區域，發現了速度在300公里/秒的帶電粒子流，給太陽風的發現寫好了“引子”。1962年，水手2號持續104天的觀測數據為太陽風的存在帶來了“實錘”。水手2號探測到了遠離太陽的高速帶電粒子流，其速度在400到700公里/秒間變化，但從來沒有中斷過。太空不空，太空中有太陽風！
水手2號，帕克的“福星”
△圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Mariner_2
此時，人們才想起了芝加哥大學中的“臥龍”帕克早就在幾年之前就已經看透了這一切。隨著衛星觀測的不斷深入，人們開始懷疑帕克是不是在夢中和上帝通過電話：行星際磁場在地球附近的徑向分量和切向分量的比的確符合帕克提出的螺旋線結構理論，而行星際磁場極性（也就是符號、方向）的變化，也與帕克預言的一模一樣。
以他之名，解他之謎
今年，帕克教授已是91歲高齡。1958年那篇多次被拒稿、發表後又遇冷的論文，已經被引用了1916次（2018年7月26日ADS數據庫數據）。而對太陽風進行研究的人，已經從孤身一人的帕克，變成了全世界太空物理和太空氣象領域裡眾多的科技工作者。筆者也有幸從事這方面的研究，所在的課題組開發改進了一系列複雜的三維磁流體力學太陽風模型，它能夠在超級電腦中重現整個日冕-行星際太空中接近真實的太陽風結構。我們的模型啟動時，依然會使用帕克那個簡潔的太陽風模型生成計算的等離子體初始條件。在CPU和記憶體中的0101之間，帕克的智慧跨越時間和太空，閃耀著光輝。
一開始，帕克太陽風探測器的名字僅僅是“太陽風探測器”（Solar Probe）。後來，蘋果手機教壞了科學家們，讓他們將修改後的探測器設計稱為“太陽風探測器Plus”（Solar Probe Plus）。據帕克教授回憶，某天他的一位朋友打電話給他，說他們正在商量將一艘探索太陽風未解之謎的探測器以帕克教授的名字命名，帕克教授欣然同意，帕克太陽風探測器便正式誕生了！
帕克太陽風探測器命名儀式上的帕克教授
△圖片來源：NASA
帕克發現太陽風後，留給後來人兩道未解的謎題：日冕的數百萬度高溫時如何形成的？太陽風具體是通過怎樣的物理過程才加速到超音速狀態的？在60年的過程中，研究者們提出了不少理論來解釋這一點，爆發了激烈的爭論。
和六十年前衛星的觀測數據迅速終結了太陽風是否存在的爭論一樣，即將發射的帕克太陽風探測器將深入日冕一探究竟，終結曠日持久的爭論。帕克太陽風探測器與地面的通訊主要在軌道的遠日端進行，而在日冕中進行科學探測時，帕克太陽風探測器只能向地球發出“我很好，還在工作”這樣非常有限的資訊，也聽不到地面對她的指令。在很多時候，她都像六十年前的帕克教授一樣，孤身一人承受著來自太陽的炙熱輻射，在日冕中獨自追尋著太陽風的秘密。
最終，她將以帕克的名義，解開帕克的謎題。
向前跑，迎著冷眼和嘲笑；向前跑，帶著赤子的驕傲！
△圖片來源：NASA
參考內容：
Parker, E.N. Dynamics of the interplanetary gas and magnetic fields. Astrophys. J. 128, 664–676, 1958.
Parker, E.N. Extension of the solar corona into interplanetary space. J. Geophys. Res. 64, 1675–1681, 1959.
Kane P. Early history of cosmic rays and solar wind – Some personal remembrances. Advance in Space Research, 44, 1252-1255, 2009.
Obridko, V. N. and Vaisberg O. L. On the history of the solar wind discovery. Solar System Research, 51, 165-169, 2017.
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