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帕克向着太陽永遠地去了

“帕克”還沒來得及完成它所有的日冕飛越,帕克卻永遠地離去了。

帕克向着太陽永遠地去了

“帕克”太陽探測器靠近太陽的插圖。

圖檔來源:約翰·霍普金斯大學應用實體實驗室

3月15日,太陽實體學家尤金·N·帕克(Eugene N. Parker)在美國芝加哥的家中去世,享年94歲。此時的“帕克”太陽探測器(Parker Solar Probe)剛結束它24次飛越太陽計劃中的第11次,和它一同穿越日冕的,除了美國航空航天局(NASA)收集到的110萬公衆的名字,還有帕克的照片,和那篇劃時代的太陽風(solar wind)論文。

太陽風的提出者,傳統太陽模型的挑戰者,堅持自己的理論不惜與實驗室老闆決裂,親眼見證以自己名字命名的航天器發射升空,這些都不足以勾勒出帕克的完整輪廓,91歲時他送去太陽的資訊,也隻是一句看似簡單的“讓我們拭目以待”(“Let's see what lies ahead”)。

見證同名探測器升空的第一人

一開始,“帕克”探測器并不叫“帕克”。

這項人類距離太陽最近的探測器,籌備了半個多世紀。自1950年代以來,NASA一直在規劃對太陽的近距離通路,但直到2005年,美國約翰·霍普金斯大學(Johns Hopkins University)應用實體實驗室(Applied Physics Laboratory,APL)的工程師才提出了完整的“太陽探測器”(Solar Probe)任務。

在這項最初的任務提案中,探測器以300萬千米的最近距離僅飛越太陽2次,預計耗資高達12億美元,還會用到資源相對緊張的钚-238作為電源,結果被NASA“打回重做”。

2007年,APL帶着更低價格、更多飛越次數的新提案來了,NASA終于準許這項前無古人的太陽探測任務,并将其命名為“太陽探測器+”(Solar Probe Plus)。這個名字被叫了十多年,直到剛加入NASA的托馬斯·齊布亨(Thomas Zurbuchen)博士寫信給美國國家科學院,認為這項任務該以人名來命名,他得到了一個明确的答複,就是尤金·帕克。

在此之前,NASA從未以在世的人物命名航天器,但2017年齊布亨向當時的NASA代理局長羅伯特·萊特富特(Robert Lightfoot)申請改名時,并沒有遇到太大的阻礙。齊布亨打給帕克說NASA希望将探測器改名為“帕克”,電話那頭的帕克感到既驚訝又迷惑。

幾個月後,帕克前往APL參觀了航天器的建造和測試,任務的項目科學家尼古拉·福克斯(Nicola Fox)對他說:“帕克,見見‘帕克’。”

帕克向着太陽永遠地去了

尤金·帕克(右二)于2017年10月通路裡位于美國馬裡蘭州的約翰·霍普金斯大學應用實體實驗室,NASA的“帕克”太陽探測器正在那裡組裝。

圖檔來源:NASA/約翰·霍普金斯大學應用實體實驗室

2018年8月12日,帕克和家人前往美國佛羅裡達州現場,目送“帕克”奔向太陽,當“德爾塔4”型火箭(Delta IV Heavy)的引擎照亮卡納維拉爾角清晨的天際,帕克輕聲說道:“我們出發了。”

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帕克在發射現場觀看“帕克”升天。

圖檔來源:NASA

幾個月後,福克斯前往芝加哥與帕克分享“帕克”探測器的一些早期資料。“我看到他的眼睛都變亮了。”福克斯說,她向帕克展示的不是太陽本身,而是太陽一側的暗淡粒子——太陽風,這正是帕克在半個多世紀前預測的東西。

太陽在向地球“吹風”

早在1859年,科學家就觀測到太陽耀斑和地球磁暴存在聯系,這一著名的卡林頓事件(Carrington Event)仍是有記錄以來強度最大的磁暴事件。從觀察到太陽耀斑到發生地球磁暴隻間隔了17. 6小時,當時人們無法解釋究竟發生了什麼,隻知道有什麼東西以超過850萬千米的時速從太陽奔向了地球。

當時的主流觀點和權威天文學家都認為,太空是空的,裡面什麼也沒有,太陽的大氣也是安靜的、不活動的。不同國家的幾位學者都曾提出太陽在噴射着某種粒子,導緻了觀測到的地磁活動,但由于缺乏完整理論模型的支援同時違背當時的主流觀點,一直沒能被學界的接受。

直到1947年,德國天文學家路德維希·比爾曼(Ludwig Biermann)觀察到一顆彗星的兩條彗尾似乎總是指向背離太陽的方向,而不是運動軌迹的反方向,由此推測來太陽發射着某種“微粒輻射”(solar corpuscular radiation),才會把彗尾“吹歪”了。

帕克向着太陽永遠地去了

彗尾方向示意圖

這位天文學家不遠萬裡從德國來到美國芝加哥,找到約翰·亞曆山大·辛普森(John Alexander Simpson)展示自己的最新研究。辛普森曾擔任“曼哈頓計劃”組長,是《原子科學家通報》(Bulletin of the Atomic Scientists)的聯合創始人,還是芝加哥大學空間與天體實體實驗室的創始人,如果能得到他的支援,比爾曼的猜想或許更容易被學界接受。

當時的帕克剛進入辛普森所在的芝加哥大學恩裡科·費米研究所(Enrico Fermi Institute)做助理教授,起初他跟随着辛普森進行的是宇宙射線的相關研究。辛普森始終沒被比爾曼的猜想說服,不想再多費口舌的他将研究資料交給了帕克,讓帕克替自己“勸返”比爾曼。

帕克認真研究了比爾曼的觀測和猜想,還結合了英國數學家和地球實體學家悉尼·查普曼(Sydney Chapman)對太陽大氣中流出熱量的計算,得出了與辛普森相反的結論:太陽大氣不是靜止的,而是動态的,它在向外噴射着“太陽風”!

結合前人的計算,帕克認為太陽上層大氣,也就是日冕,在100萬攝氏度的狀态下是一種良好的導熱體,在距離太陽表面很遠的地方溫度依然很高,但來自太陽的引力卻有了顯著下降,外層大氣粒子能以超音速逃逸到星際空間。到地球附近時,這個速度會高達數百千米每秒,高速粒子流與地球磁場發生作用,導緻了地球磁暴現象。

基于這一系列發現與假設,帕克建立了一個新的太陽模型。他把自己得出的結論告訴辛普森時,不僅是在反駁自己的上司,也是在挑戰學界權威,這令辛普森失望不已。那時的帕克不過三十出頭。

1958,太陽風吹向學界

面對帕克的執着倔強,辛普森選擇與他劃清界限,不允許他在“太陽風”論文中提及自己的名字,不允許他帶上實驗室的名頭,這給學術界無甚名氣的年輕學者和他颠覆傳統認知的開創性理論,無疑帶來了極大的阻礙。

“你這簡直是在胡說八道。”“你的想法是好的,但它不可能是對的。”“我不知道哪裡出錯了,但你肯定是錯的。”

沒有一家學術期刊願意接收他的論文,沒有一位科學家認同他的理論,審稿人們挑不出任何錯誤,卻還是紛紛拒稿。帕克不甘心,他認為自己所用的流體動力學由牛頓定律直接推導而來,牛頓是對的他就是對的。

1958年,31歲的帕克找到了《天體實體學雜志》(The Astrophysical Journal)的主編蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar),這位破解了恒星命運軌迹的實體學家和天體實體學家,曾被自己的導師當衆撕毀論文,二十多歲得出的理論直到73歲那年才被授予諾貝爾實體學獎章。

同在芝加哥大學就職的錢德拉塞卡當時也不認同帕克的理論,但他聯想到自己曾遭受過的權威的漠視、打壓和抨擊,認為帕克應當擁有将自己的理論公之于衆的機會,這篇論文曆經多番磨難終于得以發表。

帕克向着太陽永遠地去了

帕克于1958年發表在《天體實體學雜志》上的太陽風論文

論文發表的一年以前,第一顆環繞地球的人造衛星才剛剛發射,這顆衛星上沒有任何儀器可以對太空中的物質進行探測,科學家對太空的研究仍僅限于地面觀測。1959年,蘇聯的月球1号(Luna 1)探測器在太空中探測到了持續的太陽風粒子;1962年,美國的水手2号(Mariner 2)探測到了太陽釋放的高速帶電離子流。

所有人才終于相信:太陽風真的存在。它對太陽系的運作産生了難以置信的影響,包括我們在地球上的生活;它包裹着太陽系裡的行星,保護我們免受有害輻射的影響;在太陽耀斑發生時,它也會擾亂我們的通訊。

“他的名字理應被寫在太陽中”

天體實體學滿是帕克的名字:帕克不穩定性(Parker instability),描述了星系中的磁場;帕克方程(Parker Transport Equation),描述了粒子在等離子體中的運動;斯威特-帕克模型(Sweet-Parker model),描述了等離子體磁場的磁重聯;帕克螺旋(Parker Spiral),描述了螺旋線狀的行星際磁場;以及描述了磁單極子通量極限的帕克極限(Parker Limit)。

帕克向着太陽永遠地去了

1977年的帕克,日食期間,在太陽周圍的光暈中可以看到太陽風。

圖檔來源:芝加哥大學

1967年,40歲的帕克便評上了美國科學院院士。

1969年,帕克獲得亨利·羅素講席(Henry Norris Russell Lectureship)與表彰太陽實體學以及日-地關系研究的阿克托夫斯基獎(Arctowski Medal)。

1978年,帕克成為第一屆海耳獎(George Ellery Hale Prize)得主。

1979年,帕克獲得英國皇家天文學會頒發的查普曼獎章(Chapman Medal),這裡的查普曼就是前面提到的證明高溫日冕具有良好導熱性的英國科學家。

1989年,帕克獲得美國國家科學獎章(National Medal of Science)。

1990年,帕克獲得美國地球科學最高獎鮑伊爾獎章(William Bowie Medal)。

1992年,帕克獲得皇家天文學會金質獎章(Gold Medal of the Royal Astronomical Society)。

1997年,帕克獲得布魯斯獎章(Bruce Medal)。

2003年,帕克獲得京都基礎科學終身成就獎。

2003年,帕克獲得麥克斯韋獎(James Clerk Maxwell Prize)。

2010年,帕克當選挪威科學與文學院院士。

2018年,帕克獲得美國實體學會頒發的傑出研究成就獎章(Medal for Exceptional Achievement in Research)。

2020年,帕克獲得了他人生中的最後一個獎:克拉福德天文獎(Crafoord Prize in Astronomy),某種意義上說,這個獎比諾貝爾獎還難獲得。

“尤金·帕克是一位傳奇的科學家,他對太陽和太陽系的看法遠遠領先于他的時代,”芝加哥大學實體系主任安傑拉·奧林托(Angela Olinto)說,“他的名字理應被寫在太陽和描述太陽的實體學中。”

“太陽實體學的存在很大程度上歸功于尤金·帕克博士的工作,我認為這麼說一點也不誇大其詞,”那位領着帕克見“帕克”太陽實體學家、如今的NASA華盛頓總部太陽實體學部主任尼古拉·福克斯說道,“即使帕克博士不再與我們同在,他的發現和遺産也将永世長存。”

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