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又一颗太阳探测器即将升空,探索太阳奥秘
查字典地理网 来源|2020-02-10 发表|教学分类:地理科普

地理学习

学习资料

       这张插图展示的是欧洲宇航局的(Solar Orbiter)太阳轨道探测器在近日点面向太阳的情景。

插图:ESA/ATG MEDIALAB

撰文:NADIA DRAKE

一艘火箭计划划破佛罗里达州的夜空,搭载一枚史无前例的探测器飞往目的地:太阳。

尽管我们的恒星每天都在燃烧,但人类只能从地球运转平面、从正面这一个角度观察它。欧洲航天局的太阳轨道探测器(Solar Orbiter,简称SolO)即将改变这一局面。它计划详细地勘察太阳,让我们看到太阳上之前从未有人看到过的区域。

SolO轨道器上搭载有10台设备,将从独特的角度揭秘太阳是如何将太阳风抛射到我们行星系统的。太阳的磁场每隔11年就会发生强度变化,产生不可预测的波动。该轨道器也有助于研究是什么控制着这个神秘的周期。

“我们根本不理解这一点。我们希望Solar Orbiter探测器能填补这一空白。”SolO项目科学家、欧洲航天局的Daniel Müller说道。

揭秘这些驱动因素并不仅仅关乎学术,还能提高地球上生灵的安全性。太阳磁场活动的变化,会导致强劲高能的太阳爆发,破坏我们的电网,击落卫星,对身处外太空的人类也是致命的。眼下,人类尚不能很好地预测太阳爆发何时、如何影响地球。

美国宇航局SolO项目副项目科学家Holly Gilbert称:“弄懂太阳大气层内部区域发生的物理过程,对我们真的有很大帮助。”

SolO轨道器发射的时机,正值太阳监测活动的热点时期。该项目也是若干个探测太阳项目之一,将为科学家提供更多扎实的研究机会。

美国宇航局太阳物理学部门主任Nicola Fox说:“太阳物理学家可算遇上好时候了。这种协同的推进,能为我们做的科研带来巨大、巨大的变化。”

太阳研究的黄金时代

你可能已经注意到,太阳当前十分热门。

上周,地面望远镜丹尼尔·K·井上太阳望远镜(Daniel K. Inouye Solar Telescope,DKIST)发布了太阳表面的特写照片。这些图像以电影的形式展现,太阳表面是缓慢冒泡的、拼接而成的,不过,每个等离子体形成的小块,其大小都与德克萨斯州相当。

又一颗太阳探测器即将升空,探索太阳奥秘1

这张来自丹尼尔·K·井上太阳望远镜(DKIST)的图像发布于2020年2月,是迄今为止太阳表面分辨率最高的图像。图上细胞状的结构,是太阳内部的热量向外传递时产生的剧烈运动而形成的。

图源:NSO/NSF/AURA

2019年12月,美国宇航局的“帕克号”太阳探测器(Parker Solar Probe)也发布了它在绕太阳极近的距离上的第一批观测成果。本周,《天体物理学报》的特刊专门发布了关于该探测任务的40几篇论文。其中,科学家首次观测到了“凶猛的(rogue)”磁场波,首次暗示紧贴着太阳周围有一个无尘的环境,使人们首次看到一种全新的粒子喷射。这一惊人的发现表明,太阳风侧向飞驰的速度比预想的要快上很多很多;该情况可能会显著影响太阳的演化。

“帕克号”太阳探测器一边冲向数百万高温的气体与粒子形成的日冕,一边进行观测。在历时7年的旅途中,它每绕太阳转一圈,都会离太阳越来越近,最终到达距离太阳炽热表面约640万千米的位置。

尽管即将发射的SolO轨道器不会走到距太阳那么近的地方,但它们将共同在太空中监测太阳。

SolO轨道器发射后,将会先后绕地球和金星运行,在引力的帮助下,像秋千一样荡到距太阳更近的地方。在接下来的5年里,金星的引力将把该探测器推入一个倾斜轨道。科学家预计,到2025年,我们将能通过该轨道器看到太阳的两极。

Gilbert说:“每次绕行轨道都会越升越高,某种程度上看,我们正像开包裹一样,一点儿一点儿地揭开太阳的两极。”

这对探测器“双雄”将联手,以高分辨率观测太阳系内最有活力、最极端的环境。它们先后绕太阳运行,观测最原始的太阳风或高能粒子是如何无穷尽地从太阳发散出来,又是如何在洒向整个太阳系的过程中演变的。SolO轨道器上专门搭载着一个相机,可以拍摄“帕克号”太阳探测器飞过的位置。

Gilbert说:“这将是一次极好的协同作战,能让我们看到‘上下文信息’,即帕克在某地测量等离子体时,SolO在它身后为其拍照。”

当这两个探测器飞向太阳时,夏威夷毛伊岛哈雷阿卡拉(Haleakalā)山顶的DKIST望远镜所能看到的太阳表面,比它们任何一个探测器的都更详尽。部分原因在于,该望远镜的口径达13英尺(3.96米),甚至比哈勃太空望远镜都大得多。

Müller说:“DKIST所能做的事,我们在太空中永远也做不到。在可见光谱部分,它的解析力前所未有。”

Kelly Korreck称,时至今日,太阳终于得到“发光发亮”的机会,绝非偶然。他是哈佛-史密森天体物理中心的太阳物理学家,也是帕克号太阳探测器某个搭载仪器的主要研究者之一。无论是地面的,还是太空的,这些新的观测都是数十年的规划与科技发展迎来的巅峰,若无这些,今日的探索绝无可能。

Korreck说:“科技跟上了,我们如今才能实施这些勇敢而又很酷的探索任务。”

SolO的科研意义

与此同时,SolO对太阳两极的观测,将为太阳磁循环(magnetic cycle)的研究填补关键的空白。多年来,科学家已知晓太阳活动会在11年的周期内起伏,但描述这一周期的理论却总是无法与物理观测相匹配。Müller解释称,原因之一在于缺失太阳两极的详细数据。20世纪90年代中期至21世纪初,Ulysses探测器曾观测过太阳两极,但它距太阳非常远而且没有搭载相机。

Müller说:“我们其实根本不知道两极是什么样,我们真的需要这类数据来解开磁循环的谜题。那确实是我们的盲点。”

有了更加全面的整体观测后,科学家应该能够深入探索这些磁循环,以及能量在太阳表面显现方式的奥秘。磁环与磁波(Magnetic loops and waves)有可能变得极端强劲。比如,新发现的“凶猛磁波(rogue waves)”或许能解释为什么日冕的温度比太阳表面还高。

磁环在太阳表面上方形成弧状,那里常常是太阳耀斑形成的地方。偶尔,这些耀斑也会向太空抛出超音速、超带电的粒子团,称作日冕物质抛射(CME)。万一有哪个粒子团飞向地球,后果将不堪设想。

1859年,一场特别强劲的日冕物质抛射切断了电报系统,使地球的夜空闪耀着极光,如同白昼。这次事件被称作“卡林顿事件(Carrington Event)”。科学家们梦寐以求尽早预测这类太空天气事件。

如有充分预警,人们可以主动关闭脆弱的卫星和电网,任何恰巧处在地球轨道或深空的人类可以提前隐蔽。

Korreck说:“我们可以减轻破坏,但我们还是需要理解太阳什么时候变得活跃,它又是如何与地球的磁层相互作用的。随着我们越来越依赖卫星通讯,人类又将登陆月球和火星并成为太空人,我们迫切需要理解太空人以及我们自己的电子设备所面临的危险。”

此外,对太阳原理的深入理解,还能帮助我们预想环绕类日恒星运行的行星上是否存在生命。

Nicola Fox说:“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。我们正在了解一颗恒星的运行原理。这对了解其他恒星系统内的恒星也用得上。”

 

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