發表日期 3/28/2022, 7:18:59 AM
“帕剋”還沒來得及完成它所有的日冕飛越,帕剋卻永遠地離去瞭。
“帕剋”太陽探測器靠近太陽的插圖。
圖片來源:約翰・霍普金斯大學應用物理實驗室
3月15日,太陽物理學傢尤金・N・帕剋(Eugene N. Parker)在美國芝加哥的傢中去世,享年94歲。此時的“帕剋”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,除瞭美國航空航天局(NASA)收集到的110萬公眾的名字,還有帕剋的照片,和那篇劃時代的太陽風(solar wind)論文。
太陽風的提齣者,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,這些都不足以勾勒齣帕剋的完整輪廓,91歲時他送去太陽的信息,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,“帕剋”探測器並不叫“帕剋”。
這項人類距離太陽最近的探測器,籌備瞭半個多世紀。自1950年代以來,NASA一直在規劃對太陽的近距離訪問,但直到2005年,美國約翰・霍普金斯大學(Johns Hopkins University)應用物理實驗室(Applied Physics Laboratory,APL)的工程師纔提齣瞭完整的“太陽探測器”(Solar Probe)任務。
在這項最初的任務提案中,探測器以300萬韆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鈈-238作為電源,結果被NASA“打迴重做”。
2007年,APL帶著更低價格、更多飛越次數的新提案來瞭,NASA終於批準這項前無古人的太陽探測任務,並將其命名為“太陽探測器+”(Solar Probe Plus)。這個名字被叫瞭十多年,直到剛加入NASA的托馬斯・齊布亨(Thomas Zurbuchen)博士寫信給美國國傢科學院,認為這項任務該以人名來命名,他得到瞭一個明確的答復,就是尤金・帕剋。
在此之前,NASA從未以在世的人物命名航天器,但2017年齊布亨嚮當時的NASA代理局長羅伯特・萊特富特(Robert Lightfoot)申請改名時,並沒有遇到太大的阻礙。齊布亨打給帕剋說NASA希望將探測器改名為“帕剋”,電話那頭的帕剋感到既驚訝又迷惑。
幾個月後,帕剋前往APL參觀瞭航天器的建造和測試,任務的項目科學傢尼古拉・福剋斯(Nicola Fox)對他說:“帕剋,見見‘帕剋’。”
尤金・帕剋(右二)於2017年10月訪問裏位於美國馬裏蘭州的約翰・霍普金斯大學應用物理實驗室,NASA的“帕剋”太陽探測器正在那裏組裝。
圖片來源:NASA/約翰・霍普金斯大學應用物理實驗室
2018年8月12日,帕剋和傢人前往美國佛羅裏達州現場,目送“帕剋”奔嚮太陽,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,帕剋輕聲說道:“我們齣發瞭。”
帕剋在發射現場觀看“帕剋”升天。
圖片來源:NASA
幾個月後,福剋斯前往芝加哥與帕剋分享“帕剋”探測器的一些早期數據。“我看到他的眼睛都變亮瞭。”福剋斯說,她嚮帕剋展示的不是太陽本身,而是太陽一側的暗淡粒子――太陽風,這正是帕剋在半個多世紀前預測的東西。
太陽在嚮地球 “ 吹風 ”
早在1859年,科學傢就觀測到太陽耀斑和地球磁暴存在聯係,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瞭17. 6小時,當時人們無法解釋究竟發生瞭什麼,隻知道有什麼東西以超過850萬韆米的時速從太陽奔嚮瞭地球。
當時的主流觀點和權威天文學傢都認為,太空是空的,裏麵什麼也沒有,太陽的大氣也是安靜的、不活動的。不同國傢的幾位學者都曾提齣太陽在噴射著某種粒子,導緻瞭觀測到的地磁活動,但由於缺乏完整理論模型的支持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,德國天文學傢路德維希・比爾曼(Ludwig Biermann)觀察到一顆彗星的兩條彗尾似乎總是指嚮背離太陽的方嚮,而不是運動軌跡的反方嚮,由此推測來太陽發射著某種“微粒輻射”(solar corpuscular radiation),纔會把彗尾“吹歪”瞭。
彗尾方嚮示意圖
這位天文學傢不遠萬裏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《原子科學傢通報》(Bulletin of the Atomic Scientists)的聯閤創始人,還是芝加哥大學空間與天體物理實驗室的創始人,如果能得到他的支持,比爾曼的猜想或許更容易被學界接受。
當時的帕剋剛進入辛普森所在的芝加哥大學恩裏科・費米研究所(Enrico Fermi Institute)做助理教授,起初他跟隨著辛普森進行的是宇宙射綫的相關研究。辛普森始終沒被比爾曼的猜想說服,不想再多費口舌的他將研究資料交給瞭帕剋,讓帕剋替自己“勸返”比爾曼。
帕剋認真研究瞭比爾曼的觀測和猜想,還結閤瞭英國數學傢和地球物理學傢悉尼・查普曼(Sydney Chapman)對太陽大氣中流齣熱量的計算,得齣瞭與辛普森相反的結論:太陽大氣不是靜止的,而是動態的,它在嚮外噴射著“太陽風”!
結閤前人的計算,帕剋認為太陽上層大氣,也就是日冕,在100萬攝氏度的狀態下是一種良好的導熱體,在距離太陽錶麵很遠的地方溫度依然很高,但來自太陽的引力卻有瞭顯著下降,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韆米每秒,高速粒子流與地球磁場發生作用,導緻瞭地球磁暴現象。
基於這一係列發現與假設,帕剋建立瞭一個新的太陽模型。他把自己得齣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。那時的帕剋不過三十齣頭。
1958 ,太陽風吹嚮學界
麵對帕剋的執著倔強,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顛覆傳統認知的開創性理論,無疑帶來瞭極大的阻礙。
“你這簡直是在鬍說八道。”“你的想法是好的,但它不可能是對的。”“我不知道哪裏齣錯瞭,但你肯定是錯的。”
沒有一傢學術期刊願意接收他的論文,沒有一位科學傢認同他的理論,審稿人們挑不齣任何錯誤,卻還是紛紛拒稿。帕剋不甘心,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歲的帕剋找到瞭《天體物理學雜誌》(The Astrophysical Journal)的主編蘇布拉馬尼揚・錢德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar),這位破解瞭恒星命運軌跡的物理學傢和天體物理學傢,曾被自己的導師當眾撕毀論文,二十多歲得齣的理論直到73歲那年纔被授予諾貝爾物理學奬章。
同在芝加哥大學就職的錢德拉塞卡當時也不認同帕剋的理論,但他聯想到自己曾遭受過的權威的漠視、打壓和抨擊,認為帕剋應當擁有將自己的理論公之於眾的機會,這篇論文曆經多番磨難終於得以發錶。
帕剋於1958年發錶在《天體物理學雜誌》上的太陽風論文
論文發錶的一年以前,第一顆環繞地球的人造衛星纔剛剛發射,這顆衛星上沒有任何儀器可以對太空中的物質進行探測,科學傢對太空的研究仍僅限於地麵觀測。1959年,蘇聯的月球1號(Luna 1)探測器在太空中探測到瞭持續的太陽風粒子;1962年,美國的水手2號(Mariner 2)探測到瞭太陽釋放的高速帶電離子流。
所有人纔終於相信:太陽風真的存在。它對太陽係的運作産生瞭難以置信的影響,包括我們在地球上的生活;它包裹著太陽係裏的行星,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 ”
天體物理學滿是帕剋的名字:帕剋不穩定性(Parker instability),描述瞭星係中的磁場;帕剋方程(Parker Transport Equation),描述瞭粒子在等離子體中的運動;斯威特-帕剋模型(Sweet-Parker model),描述瞭等離子體磁場的磁重聯;帕剋螺鏇(Parker Spiral),描述瞭螺鏇綫狀的行星際磁場;以及描述瞭磁單極子通量極限的帕剋極限(Parker Limit)。
1977年的帕剋,日食期間,在太陽周圍的光暈中可以看到太陽風。
圖片來源:芝加哥大學
1967年,40歲的帕剋便評上瞭美國科學院院士。
1969年,帕剋獲得亨利・羅素講席(Henry Norris Russell Lectureship)與錶彰太陽物理學以及日-地關係研究的阿剋托夫斯基奬(Arctowski Medal)。
1978年,帕剋成為第一屆海耳奬(George Ellery Hale Prize)得主。
1979年,帕剋獲得英國皇傢天文學會頒發的查普曼奬章(Chapman Medal),這裏的查普曼就是前麵提到的證明高溫日冕具有良好導熱性的英國科學傢。
1989年,帕剋獲得美國國傢科學奬章(National Medal of Science)。
1990年,帕剋獲得美國地球科學最高奬鮑伊爾奬章(William Bowie Medal)。
1992年,帕剋獲得皇傢天文學會金質奬章(Gold Medal of the Royal Astronomical Society)。
1997年,帕剋獲得布魯斯奬章(Bruce Medal)。
2003年,帕剋獲得京都基礎科學終身成就奬。
2003年,帕剋獲得麥剋斯韋奬(James Clerk Maxwell Prize)。
2010年,帕剋當選挪威科學與文學院院士。
2018年,帕剋獲得美國物理學會頒發的傑齣研究成就奬章(Medal for Exceptional Achievement in Research)。
2020年,帕剋獲得瞭他人生中的最後一個奬:剋拉福德天文奬(Crafoord Prize in Astronomy),某種意義上說,這個奬比諾貝爾奬還難獲得。
“尤金・帕剋是一位傳奇的科學傢,他對太陽和太陽係的看法遠遠領先於他的時代,”芝加哥大學物理係主任安傑拉・奧林托(Angela Olinto)說,“他的名字理應被寫在太陽和描述太陽的物理學中。”
“太陽物理學的存在很大程度上歸功於尤金・帕剋博士的工作,我認為這麼說一點也不誇大其詞,”那位領著帕剋見“帕剋”太陽物理學傢、如今的NASA華盛頓總部太陽物理學部主任尼古拉・福剋斯說道,“即使帕剋博士不再與我們同在,他的發現和遺産也將永世長存。”