在太陽(yáng)和恒星物理中，一個(gè)基礎(chǔ)性的問(wèn)題是恒星（包括太陽(yáng)）自轉(zhuǎn)如何減慢。自轉(zhuǎn)減慢應(yīng)由質(zhì)量損失引起，即恒星風(fēng)（太陽(yáng)風(fēng)）。Parker在1958年提出太陽(yáng)風(fēng)的第一個(gè)流體模型，但并沒有考慮磁場(chǎng)的影響。單純的質(zhì)量損失無(wú)法解釋自轉(zhuǎn)減慢的速率。Weber & Davis于1967年提出第一個(gè)磁流體模型（WD模型），在磁場(chǎng)的影響下，角動(dòng)量的損失率為 為阿爾芬半徑，太陽(yáng)風(fēng)在阿爾芬半徑從亞阿爾芬速變?yōu)槌柗宜伲?。阿爾芬半徑一般比太?yáng)半徑高一個(gè)量級(jí)，即在同樣的質(zhì)量損失率下，由于磁場(chǎng)施加的力矩，角動(dòng)量損失可以提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這一簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)形式、清晰的物理含義，使得WD理論迅速成為里程碑的工作。 

　　Parker Solar Probe（PSP）衛(wèi)星在2018年發(fā)射升空，試圖成為人類首顆穿越太陽(yáng)“阿爾芬表面”的衛(wèi)星（即進(jìn)入阿爾芬半徑以內(nèi)區(qū)域）。作為重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，PSP觀測(cè)到太陽(yáng)風(fēng)切向流速度達(dá)到50多km/s，遠(yuǎn)大于WD模型的結(jié)果。這意味著角動(dòng)量損失率遠(yuǎn)大于預(yù)期，從WD理論出發(fā)PSP已經(jīng)進(jìn)入阿爾芬半徑以內(nèi)，然而實(shí)際的太陽(yáng)風(fēng)速度仍大于當(dāng)?shù)氐陌柗宜俣龋ㄒ妶D1）。這一自相矛盾的結(jié)果被稱為“太陽(yáng)風(fēng)角動(dòng)量佯謬”（或悖論）。 

　　中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心劉潁研究員等人提出解決問(wèn)題的方法和思路，表明“太陽(yáng)風(fēng)角動(dòng)量佯謬”并不存在。首先，研究工作給出一個(gè)不同于前人的方法，用于計(jì)算太陽(yáng)風(fēng)角動(dòng)量和阿爾芬半徑。以前用以計(jì)算太陽(yáng)風(fēng)角動(dòng)量和阿爾芬半徑的方法受觀測(cè)限制，存在很多不確定性，特別是切向流速度的誤差很大、以及阿爾法粒子參數(shù)難以被精確測(cè)量。新的方法成功回避了這些問(wèn)題，給出相對(duì)精確的阿爾芬半徑和角動(dòng)量的估計(jì)、以及角動(dòng)量在粒子和磁場(chǎng)的分配比例。通過(guò)新的方法給出的太陽(yáng)風(fēng)角動(dòng)量結(jié)果仍可與WD理論符合，而阿爾芬半徑低于PSP離日心的距離（即PSP在阿爾芬半徑以外），“太陽(yáng)風(fēng)角動(dòng)量佯謬”問(wèn)題被移除（見圖1）。 

　　圖1: PSP第一軌觀測(cè)、以及基于新方法得到的阿爾芬半徑和角動(dòng)量

　　研究發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)風(fēng)角動(dòng)量和阿爾芬半徑是速度的函數(shù)（見下表）。太陽(yáng)風(fēng)速度不同，角動(dòng)量及其在粒子和磁場(chǎng)分配的比例也不同，而磁場(chǎng)攜帶的角動(dòng)量則相對(duì)固定。阿爾芬半徑對(duì)速度的依賴性表明，太陽(yáng)的阿爾芬表面并不是一個(gè)球面，而是“崎嶇不平”。結(jié)果也給出了對(duì)PSP穿越阿爾芬表面的預(yù)言，根據(jù)PSP軌道設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)的（或持久的）阿爾芬表面穿越僅發(fā)生于速度低于350 km/s的太陽(yáng)風(fēng)，這對(duì)以后PSP的觀測(cè)、未來(lái)的探測(cè)任務(wù)規(guī)劃具有指導(dǎo)性意義。  

　　其次，基于Helios衛(wèi)星在0.3－1 AU和近地衛(wèi)星的觀測(cè)，構(gòu)建阿爾法離子速度，并以此來(lái)估計(jì)太陽(yáng)風(fēng)粒子所攜帶的角動(dòng)量，指出阿爾法離子可有反向的切向流，從而抵消部分角動(dòng)量（見圖2）。PSP搭載的離子儀器包含一個(gè)法拉第杯（SPC）和靜電分析器（SPAN-I）。SPC雖然直接指向太陽(yáng)，但難以分辨阿爾法離子。SPAN-I位于衛(wèi)星的側(cè)翼，因擋熱板阻礙僅僅觀測(cè)到部分粒子速度分布函數(shù)。在第四軌PSP移動(dòng)地足夠快，從而把大部分的阿爾法離子速度分布核心置于SPAN-I視場(chǎng)中。研究工作對(duì)第四軌阿爾法離子參數(shù)的初步分析表明，阿爾法離子確實(shí)可存在大的負(fù)值切向速度，與期望基本一致。 

　　圖2: 構(gòu)建的阿爾法粒子速度和角動(dòng)量、以及與質(zhì)子參數(shù)的比對(duì)

　　基于上述結(jié)果，研究工作進(jìn)一步指出：大的質(zhì)子切向流可能是太陽(yáng)風(fēng)加速所固有的結(jié)果；太陽(yáng)風(fēng)加速產(chǎn)生相反方向的質(zhì)子和阿爾法離子切向流，而角動(dòng)量則保持守恒，WD理論仍然成立。這不同于Len Fisk等人提出的交換磁重聯(lián)理論。根據(jù)Len Fisk交換磁重聯(lián)理論，正負(fù)質(zhì)子切向流可在任何地方觀測(cè)到，然而PSP在所有近日點(diǎn)附近都無(wú)一例外的觀測(cè)到持續(xù)的、正的質(zhì)子切向流。  

　　此外，研究發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)在PSP（encounter）距離仍處于加速階段，因此PSP觀測(cè)到的速度不應(yīng)視為最終速度。與1 AU處觀測(cè)到的速度對(duì)比，PSP觀測(cè)到的“慢速”太陽(yáng)風(fēng)在1 AU處可為快速太陽(yáng)風(fēng)；近期在Nature上發(fā)表的來(lái)自冕洞的“慢速”太陽(yáng)風(fēng)值得新的思考。通過(guò)鑒定出不同的太陽(yáng)風(fēng)加速結(jié)果，研究工作評(píng)估了提出的新方法的誤差。 

　　論文發(fā)表于The Astrophysical Journal Letters，第一/通訊作者為劉潁研究員。研究結(jié)果對(duì)于澄清太陽(yáng)風(fēng)角動(dòng)量悖論、理解太陽(yáng)風(fēng)加速過(guò)程和阿爾芬表面特性這些基本問(wèn)題，具有重要意義。

　　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)