实验室科研人员提出解决“太阳风角动量佯谬”方法和思路
在太阳和恒星物理中，一个基础性的问题是恒星（包括太阳）自转如何减慢。自转减慢应由质量损失引起，即恒星风（太阳风）。Parker在1958年提出太阳风的第一个流体模型，但并没有考虑磁场的影响。单纯的质量损失无法解释自转减慢的速率。Weber & Davis于1967年提出第一个磁流体模型（WD模型），在磁场的影响下，角动量的损失率为L=ΩrA2（rA为阿尔芬半径，太阳风在阿尔芬半径从亚阿尔芬速变为超阿尔芬速）。阿尔芬半径一般比太阳半径高一个量级，即在同样的质量损失率下，由于磁场施加的力矩，角动量损失可以提高两个数量级。这一简洁的数学形式、清晰的物理含义，使得WD理论迅速成为里程碑的工作。
Parker Solar Probe（PSP）卫星在2018年发射升空，试图成为人类首颗穿越太阳“阿尔芬表面”的卫星（即进入阿尔芬半径以内区域）。作为重要的科学发现，PSP观测到太阳风切向流速度达到50多km/s，远大于WD模型的结果。这意味着角动量损失率远大于预期，从WD理论出发PSP已经进入阿尔芬半径以内，然而实际的太阳风速度仍大于当地的阿尔芬速度（见图1）。这一自相矛盾的结果被称为“太阳风角动量佯谬”（或悖论）。
刘颍研究员等人提出解决问题的方法和思路，表明“太阳风角动量佯谬”并不存在。首先，研究工作给出一个不同于前人的方法，用于计算太阳风角动量和阿尔芬半径。以前用以计算太阳风角动量和阿尔芬半径的方法受观测限制，存在很多不确定性，特别是切向流速度的误差很大、以及阿尔法粒子参数难以被精确测量。新的方法成功回避了这些问题，给出相对精确的阿尔芬半径和角动量的估计、以及角动量在粒子和磁场的分配比例。通过新的方法给出的太阳风角动量结果仍可与WD理论符合，而阿尔芬半径低于PSP离日心的距离（即PSP在阿尔芬半径以外），“太阳风角动量佯谬”问题被移除（见图1）。
图1: PSP第一轨观测、以及基于新方法得到的阿尔芬半径和角动量。
研究发现，太阳风角动量和阿尔芬半径是速度的函数（见下表）。太阳风速度不同，角动量及其在粒子和磁场分配的比例也不同，而磁场携带的角动量则相对固定。阿尔芬半径对速度的依赖性表明，太阳的阿尔芬表面并不是一个球面，而是“崎岖不平”。结果也给出了对PSP穿越阿尔芬表面的预言，根据PSP轨道设计，实质的（或持久的）阿尔芬表面穿越仅发生于速度低于350 km/s的太阳风，这对以后PSP的观测、未来的探测任务规划具有指导性意义。
其次，基于Helios卫星在0.3-1 AU和近地卫星的观测，构建阿尔法离子速度，并以此来估计太阳风粒子所携带的角动量，指出阿尔法离子可有反向的切向流，从而抵消部分角动量（见图2）。PSP搭载的离子仪器包含一个法拉第杯（SPC）和静电分析器（SPAN-I）。SPC虽然直接指向太阳，但难以分辨阿尔法离子。SPAN-I位于卫星的侧翼，因挡热板阻碍仅仅观测到部分粒子速度分布函数。在第四轨PSP移动地足够快，从而把大部分的阿尔法离子速度分布核心置于SPAN-I视场中。研究工作对第四轨阿尔法离子参数的初步分析表明，阿尔法离子确实可存在大的负值切向速度，与期望基本一致。
图2: 构建的阿尔法粒子速度和角动量、以及与质子参数的比对。
基于上述结果，研究工作进一步指出：大的质子切向流可能是太阳风加速所固有的结果；太阳风加速产生相反方向的质子和阿尔法离子切向流，而角动量则保持守恒，WD理论仍然成立。这不同于Len Fisk等人提出的交换磁重联理论。根据Len Fisk交换磁重联理论，正负质子切向流可在任何地方观测到，然而PSP在所有近日点附近都无一例外的观测到持续的、正的质子切向流。
此外，研究发现太阳风在PSP（encounter）距离仍处于加速阶段，因此PSP观测到的速度不应视为最终速度。与1 AU处观测到的速度对比，PSP观测到的“慢速”太阳风在1 AU处可为快速太阳风；近期在Nature上发表的来自冕洞的“慢速”太阳风值得新的思考。通过鉴定出不同的太阳风加速结果，研究工作评估了提出的新方法的误差。
论文发表于The Astrophysical Journal Letters，第一/通讯作者为刘颍研究员。研究结果对于澄清太阳风角动量悖论、理解太阳风加速过程和阿尔芬表面特性这些基本问题，具有重要意义。
Citation:
Ying D. Liu*#, Chong Chen, Michael L. Stevens, Mingzhe Liu, Determination of Solar Wind Angular Momentum and Alfven Radius from Parker Solar Probe Observations, 2021, The Astrophysical Journal Letters, 908, L41
(https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abe38e)
