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欧洲太阳轨道器Solar Orbiter将推动太阳研究迈入全盛的黄金时期

艺术家想象图:欧洲太空总署(ESA)太阳轨道飞行器在最接近太阳时,面向太阳的场景。 ILLUSTRATION BY ESA/ATG MEDIALAB

艺术家想象图:欧洲太空总署(ESA)太阳轨道飞行器在最接近太阳时,面向太阳的场景。 ILLUSTRATION BY ESA/ATG MEDIALAB

2020年2月,科学家公布了由井上建太阳望远镜拍摄的太阳影像,这是迄今为止最高解析率的太阳表面影像。 太阳内部热量向表面传递时的剧烈运动,产生了照片中的巨大胞状

2020年2月,科学家公布了由井上建太阳望远镜拍摄的太阳影像,这是迄今为止最高解析率的太阳表面影像。 太阳内部热量向表面传递时的剧烈运动,产生了照片中的巨大胞状结构。 IMAGE BY NSO/NSF/AURA

(神秘的地球uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:NADIA DRAKE 编译:邱彦纶):日前发射升空的欧洲「太阳轨道器」(Solar Orbiter,简称SolO)充满历史意义,它将推动太阳研究迈入全盛的黄金时期。

美国时间2月9日晚间,一架火箭划过了佛罗里达州的夜空,上头搭载着一艘史无前例的太阳探测器。

虽然太阳每天都在我们的天空中燃烧发光,但人类却只能从单一的角度──太阳系行星运转的平面──观察这颗母恒星的正面。 欧洲太空总署(ESA)的太阳轨道器(简称SolO)即将改变现况:这艘宇宙飞船将对太阳进行详细勘查,让我们得以一窥前人未曾见过的太阳极区。

搭载了十种科学仪器的SolO探测器将从这个奇特的地点进行观察,揭密太阳是如何将称为「太阳风」(solar wind)的高能量粒子流抛往我们的行星系统。 SolO也将研究是什么控制了长度为11年的太阳磁场周期,由于磁场强度会上下变化,太阳活动也产生无法预测的波动。

「我们根本不理解这点。 」SolO计划科学家、ESA的丹尼尔. 穆勒(Daniel Müller)说:「我们希望太阳轨道器能够填补这个知识上的空缺。 」

太阳让所有的行星都绕着它运行。 如果太阳彻底消失,会发生什么事呢? 让我们跟着影片一起认识位在太阳系中心的这颗恒星,为何太阳对我们所知的所有生命来说这么重要呢?

揭开驱动太阳磁场的机制不仅是个学术问题,还能改善地球的公众安全。 太阳磁场活动的变化会导致强烈的高能量太阳爆发,导致电网瘫痪、卫星故障,甚至让身处外层空间的人类陷入致命危险,但目前我们尚无法完善地预测太阳爆发可能影响地球的时间点和强度。

「弄清楚这种在太阳大气内部区域发生的基本物理过程,对我们真的有很大的帮助。 」

美国航天总署(NASA)SolO计划科学家霍莉. 吉尔伯特(Holly Gilbert)表示。

SolO探测器发射的时机,正值太阳活动监测的热潮。 它只是目前好几个新太阳探测计划中的一项,这些新计划让我们有机会进行更多扎实的科学探索。

「对太阳物理学家来说,现在真是个绝佳时期。 」美国航天总署太阳物理学部门(heliophysics division )主任尼古拉. 福克斯(Nicola Fox)表示:「有这种共同合作进行的探测计划推动,对我们能进行的科学研究数量带来了非常、非常巨大的变化。 」

太阳研究的黄金时期

你可能已经发现,太阳研究目前正在科学研究的热头上。

地面的井上建太阳望远镜(Daniel K. Inouye Solar Telescope,简称DKIST)在1月底发布了迷人的太阳表面特写影像。 以影片的方式呈现这些影像,可以看到像是拼缀而成的太阳表面缓慢地冒泡,其中每个电浆胞的大小与德州相当。

2019年12月,NASA的帕克太阳探测器(Parker Solar Probe)也发布它近距离接近太阳时获得的第一批观测成果。 此外,《天文物理期刊》(Astrophysical Journal)也在2月初出版的特刊上,刊登该探测任务的另外48篇研究。 这些重要的发现,包括首度观测到「凶猛」(rogue)电磁波、首度发现无尘区紧邻于太阳周围的可能证据、首度观测到原始的粒子喷射,甚至还惊人地发现太阳风的横向速度远超过预期,这可能会对太阳的演化产生重大影响。

帕克太阳探测器一边冲向由数百万度高温气体与粒子形成、环绕着太阳的日冕,一边进行这些观测。 在七年的任务期间,它每绕太阳一圈,就会离太阳愈近,最终将抵达离太阳炽热表面约640万公里处。

帕克太阳探测器将会和新抵达的SolO探测器合作探测太阳,虽然SolO探测器不会抵达距离太阳那么近的位置。

SolO探测器发射后,将会先后飞掠过地球和金星,透过这两颗行星的重力助推,抛往距离太阳更近的地方。 在接下来的五年里,金星的重力会将SolO推入倾斜轨道,使探测器得以一窥太阳极区,预计探测器将在2025年首度观测太阳极区。

「SolO每次绕行的轨道会愈升愈高,所以某种程度上来说,我们将一点一滴地逐渐揭露太阳极区的奥秘。 」吉尔伯特表示。

这两艘探测器,将连手进行高分辨率观测这个太阳系内最有活力也最极端的环境。 它们会一前一后地绕太阳运行,观测最原始的太阳风或高能粒子如何从太阳无止境地喷发出来,以及它们在呼啸进入太阳系后的演变过程。 此外,SolO探测器上还搭载着一台相机,可以拍摄帕克号太阳探测器飞掠的位置。

「这将是非常棒的连手出击,」吉尔伯特表示:「我们能够藉此得到完整的信息,帕克太阳探测器会在另一台探测器(SolO)拍摄某一团电浆时,实际量测那团电浆。 」

当这两艘探测器绕着太阳运行时,位于夏威夷茂伊岛(Maui)哈莱亚卡拉火山(Haleakalā)山顶的井上建太阳望远镜,所能看到的太阳表面却比它们都还要更加清楚,部分原因可能是这架望远镜的主镜口径达3.96公尺,甚至比哈伯太空望远镜(Hubble Space Telescope)都还大上许多。

「井上建太阳望远镜能完成我们在太空中永远也无法达成的任务,」穆勒表示:「它在可见光频谱中的解析力可说是前所未有。 」

哈佛-史密森尼天文物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的太阳物理学家凯利. 科瑞克(Kelly Korreck)也是帕克太阳探测器上某项仪器的首席研究员之一,她表示,太阳终于得到发光发亮的机会,而这绝非偶然。 这些新的观测站──无论是位在地面上或是太空中,都是累积了数十年的规画与科技发展才得以迎来的巅峰,若没有这些努力,绝对无法实现今日的科学探索。

「科技发展已经赶上来了,」科瑞克说,「所以我们现在才能有这些酷又大胆的探索任务。 」

SolO的独特科学任务

同时,SolO探测器对太阳极区的观测,将为太阳的磁场循环之谜填补关键的空缺。 多年来,科学家已经知道太阳活动会在11年的周期内有规律地起伏,但描述这种活动周期的理论却一直无法符合物理观测数据。 穆勒解释,原因之一在于我们缺乏太阳极区的详细观测数据。 尤利西斯号(Ulysses)探测器曾在1990年代中期至2000年代初观测过太阳两极,但当时它与太阳的距离非常遥远,且探测器上并没有搭载相机。

「我们其实根本不知道太阳极区是什么状况,我们真的需要这样的数据,来解开磁场周期中的一些的谜题。 」穆勒说:「那确实是我们看不见的区域。 」

有了更全面的整体观测,科学家应该能更深入探索这些复杂的磁场周期,以及能量在太阳表面显露的方式。 磁环(Magnetic loops)与磁波有可能变得威力十足,像是新发现的「凶猛磁波」(rogue waves)或许就能解释,为什么日冕的温度比太阳表面还要来得更高。

在太阳表面上方形成弧状的磁环,经常也是太阳闪焰(solar flare)形成之处。 有时候这些闪焰也会向太空抛出称作「日冕巨量喷发」(coronal mass ejections,简称CME)的超音速超带电粒子团块。 万一其中有个粒子团飞向地球,那将带来灾难性的后果。

1859年,有场特别强劲的CME瘫痪了电报系统,使地球的夜空闪耀着如同白昼一般明亮的极光。 科学家希望能够尽早预测的,就是类似那次「卡林顿事件」(Carrington Event)的太空天气。

如有果有充分的预警,我们就能事先关闭容易受到破坏的卫星和电网,刚好位在地球轨道或深太空之中的航天员,也能提前避难。

「我们可以减轻灾害程度,但我们真的需要知道太阳会在何时变得活跃,又是如何与地球磁层产生交互作用。 」科瑞克表示:「随着我们愈来愈依赖卫星通讯,人类又将登陆月球和火星,成为了在太空旅行的物种,我们的确需要理解航天员和我们自己的电子设备所面临的危险。 」

此外,对太阳运作机制的深入理解,还能帮助我们预想绕着类日恒星运行的行星上,是否有存在生命的可能性。

「对我而言,这件事还有很酷的一面,很简单:太阳本身就是一颗恒星。 」福克斯表示,「我们正在了解恒星如何运作,这对理解其他恒星系统内的恒星也相当有帮助。 」




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