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人類又一太陽探測器出發 帶我們換個角度看太陽



喜歡拍照的朋友們都知道,即​​使對於同樣的場景,變換角度拍攝後仍然可能得到效果不同的照片。無論是徘徊在車展上的模特周圍,不停的重複蹲下起立的人像攝影師,還是為了記錄城市的全景和天際線,不惜混入摩天大樓工地的風光攝影師,對這一點相信都有切身的感受。而對於太陽物理和空間物理學家來說,他們的願望就是能把太陽的上下左右、里里外外全都看清,好徹底地理解給予我們光和熱的這顆恆星。

然而,自古至今,人類觀察太陽的視角卻始終被局限在地球公轉軌道所在的平面上,從未能對太陽的南北兩極進行細緻的觀測。更撩動科學家心弦的是,太陽的南北兩極發生的事,對太陽如何影響航天器的飛行乃至我們生存的環境,都有著重要的意義。

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Solar Orbiter 探測器 (圖片來源:ESA)

美國東部時間2月9日晚上10:30,也就是北京時間2月10日的上午11:30,一位新的太陽攝影師將上線,她的名字叫Solar Orbiter。她將走上一條前輩沒沒有走過的路,不但能夠清晰地看到太陽的南北兩極,還能利用手中的十八般兵器,細緻入微地看清太陽的每一張面孔。

太陽極區很重要,然而我們一直看不清

歐洲是人類科學認識太陽的起源地。當17世紀伽利略最早將望遠鏡應用於天文觀測時,太陽黑子就是望遠鏡的重要觀測對象。 1844年,連續積累18年的太陽黑子群數量記錄啟發德國天文學家施瓦貝發現了太陽黑子數量的變化規律:在為期11年的周期中,黑子數先增加,之後逐漸減少,最終回到11年周期開始時的水平。

而天文學家沃爾夫對歷史數據的回溯,更確切的證明了施瓦貝的結論。

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太陽黑子出現緯度隨時間的變化圖,又叫“蝴蝶圖”(圖片來源 Wikipedia)

通過不斷積累的觀測與研究,人們對太陽黑子的出現與變化的規律已經有了更深入的認識。黑子一般成雙結對的出現在太陽表面,像一塊U型磁鐵伸出了太陽表面一樣,黑子對中的兩個黑子有著不同的磁場極性。在太陽表面流動的作用下,出現在中緯度地區的黑子磁場(更確切的說應該是磁通量,為了避免使讀者迷失在繁雜的術語中,以下不做區分)會同時向赤道和兩極輸運。在赤道附近,從南北兩個方向輸運來的磁場極性相反,在此同歸於盡。而輸運向極區的磁場,則能夠在清除掉上一個太陽週極區磁場的殘餘勢力後,在此建立一片單一磁場極性的根據地。

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太陽黑子總是成對出現,彷彿一塊U型磁鐵安插在了太陽內部(圖片來源https://www.Windows2universe.org/)

磁力線從極區的“根據地”出發後,由於在附近找不到落腳的地方,因此不得不向遠離太陽的行星際空間延伸,成為行星際磁場的一部分。開放的行星際磁場為太陽風從太陽表面湧出提供了一條暢通無阻的高速公路,因此單一磁場極性的根據地也是高速太陽風的發源地。在極紫外、軟X射線等波段的觀測中,極區的磁場“根據地”顯示出一片暗黑的顏色,像是在太陽表面附近的低層日冕中開了個大窟窿,因此科學家們形象的將其稱之為極區冕洞(polar coronal hole)。

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極紫外和白光日冕觀測的合成圖。中心的黃色圖像為太陽的極紫外觀測,南北兩極的黑色區域即為冕洞。向外的白光日冕觀測則顯示此處的開放磁場軌跡(圖片來源:NASA)

冕洞不只兩極有,在低緯度地區也會出現。但是當新太陽黑子出現的數目不斷減少,太陽進入11年活動週的極小和下降期時,極區冕洞就是行星際磁場和高速太陽風的主要發源地了。在其他時間裡,極區冕洞的消失、重新出現也是決定太陽磁場整體結構的重要過程。和地球的偶極磁場經歷極長的時間才會發生方向的翻轉所不同的是,由太陽兩極的冕洞為根基的太陽偶極磁場,每11年就會翻轉一次。

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太陽黑子及其附近的光球精細結構(圖片來源:ESA)

在極區冕洞湧出的高速太陽風,本身就會對地球附近的空間天氣狀況產生影響。比如,當高速太陽風更頻繁的吹襲地球時,國際空間站、天宮空間站這樣長期在低地球軌道上工作的航天器就會更快的發生軌道衰減,需要更多的燃料進行軌道維持才能不讓他們墜落。而當太空中的颱風——日冕物質拋射從太陽上爆發時,極區冕洞所決定的行星際磁場和太陽風整體結構,又是決定它能不能擊中地球的重要因素。最嚴重的日冕物質拋射,不但會讓衛星飛船遭殃,更有可能大範圍癱瘓高壓電網,使人類被迫過一段沒電的原始生活——沒燈沒網沒自來水,沒有現代生活的一切。

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在太陽活動極大期,極區冕洞消失,冕洞更多的在低緯度地區出現,有時會出現特別的形狀,比如本圖中的“鳥洞”(圖片來源:NASA)

總之,要研究明白太陽上的事情,準確的預報太陽活動對於天上飛的飛船和地上生活的我們產生的空間天氣效應並有所準備,需要看清太陽的兩極。

遺憾的是,我們一直看不清。

離開那個平面

為什麼看不清?我們先從衛星觀察地球的例子說起。

下面這種圖片是工作的地球靜止軌道上的風雲4-A衛星拍攝的今年2月4日白天的地球圖像,從這幅圖中,我們可以清晰的看到包括我國在內的地區,然而對於南北極地區,則只能看清一部分地區的大致輪廓。要清晰對南北極實施觀測,衛星不能在赤道上空的靜止軌道工作,必須進入傾角比較高的軌道。

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風雲4A衛星可見光成像(圖片來源:國家衛星氣象中心網站)

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Terra衛星觀測的地球南極圖像,在赤道上空的衛星無法獲取這個角度的圖像(圖片來源:NASA)

當我們把視角由地球附近擴展到整個太陽係時將會看到,包括地球在內的所有行星都集中在太陽赤道附近的平面上。受航天技術的限制,從地球上發射的航天器,即便掙脫地心引力的束縛,大部分也只能在地球公轉軌道面附近運行。因此SDO、SOHO等已經在太空中工作的太陽探測器,只能提供地球公轉面附近的觀測視角,無法特別準確得看到太陽極區的情況。對於設置在地面上的太陽望遠鏡,情況更是如此。

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SOHO衛星處於日地L1點,即地球公轉的軌道面內。像地球赤道上空的衛星無法看清南北兩極一樣,SOHO也無法看清太陽的極區(圖片來源:ESA)

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從不同波段觀測到的太陽圖像,能夠帶來關於太陽的不同信息。本圖由SDO衛星在地球附近拍攝。由於位置的限制,她難以看清太陽兩極(圖片來源:NADA)

歐洲和美國合作進行的Ulysses飛船曾經完成了一次地球公轉軌道面以外的飛行。在這次飛行中,Ulysses飛船發現在太陽活動的極小期和下降期,源自太陽兩極的太陽風具有相當穩定的結構,當Ulysses在其中穿行時幾乎感覺不到速度和密度的變化。而當太陽活動進入極大期時,不同速度的太陽風則會像地球公轉面附近那樣交替出現。如果不飛出地球公轉軌道所在的平面,這些關於太陽風的三維結構認知都是無法得到的。

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Ulyssse飛船的太陽風觀測結果。圖中的太陽圖像並非由Ulysses本身獲取,而是由同時期的其他太陽觀測衛星獲得(圖片來源:ESA)

遺憾的是,Ulysses只裝備了進行局地探測的儀器,只能感受到她附近的太陽風情況,卻無法用遙感成像觀測的望遠鏡看到太陽表面的圖像。實際上,即便裝了遙感設備,Ulysses也難以看到太陽太清晰的樣子:Ulysses與太陽的距離大約在2AU-4AU(AU為天文單位,表示地球到太陽的平均距離)間變化,也就是地球和太陽距離的2-4倍,離得越遠,自然也就越難看清楚了。

Solar Obiter : 讓你一次看個夠

這次,SO將一次滿足科學家們所有的願望:靠近太陽,飛出地球公轉軌道,用各個波段的遙感觀測儀器把太陽極區看通透。

    Solar Orbitor軌道示意圖(圖片來源:ESA)

Solar Orbitor軌道示意圖(圖片來源:ESA)

要完成這件事,當然要有特別的軌道。借助金星和地球的引力,SO在發射後將會在飛行中與金星形成軌道共振關係,定期相遇。每相遇一次,就能藉助進行的引力拉近與太陽的距離,同時逐漸偏離地球公轉軌道面。在最初4年的基本任務階段,相對太陽赤道面的軌道傾角可以達到17度,已經可以比地球上更清楚的觀察到太陽極區。而在之後的擴展任務階段,軌道面相對於太陽赤道的傾角則可以達到33度,對太陽極區的觀測質量將會進一步提高。

    Solar Orbiter的十八班兵器,也就是她所裝備的觀測儀器(圖片來源:ESA)

Solar Orbiter的十八班兵器,也就是她所裝備的觀測儀器(圖片來源:ESA)

當我們將來自太陽的輻射信號進行分解後,就能得到關於太陽不同方面的信息。為了獲取盡可能豐富的觀測,SO上搭載了多達6台的遙感觀測儀器。這其中,在極紫外波段進行觀測的EUI儀器可以獲取色球、過渡區和低層日冕的情況。雖然這種儀器在以往發射的太陽探測衛星上大都有搭載,冕洞位置和結構的識別就主要依靠這個波段的儀器。但得益於SO獨特的觀測位置,相信能夠對日冕中的精細結構和日冕加熱、太陽風加速的重要物理過程帶來新的信息。而對於磁場本身的觀測,則通過X儀器以可見光的塞曼效應為基本原理進行。通過分析太陽光的偏振狀態,就能獲取太陽光球磁場的極性和強度。

因為離得太陽太近,SO面向太陽的一面裝配了高性能的熱保護罩,可抵禦500度高溫。遙感觀測儀器則在保護罩上各自打開一個小洞暗中觀測,這些遙感儀器同樣有著保護措施,使得它們既能得到需要的信號,又不至於被太陽烤化。圖為正在進行真空熱測試的SO(圖片來源:ESA)

因為離得太陽太近,SO面向太陽的一面裝配了高性能的熱保護罩,可抵禦500度高溫。遙感觀測儀器則在保護罩上各自打開一個小洞暗中觀測,這些遙感儀器同樣有著保護措施,使得它們既能得到需要的信號,又不至於被太陽烤化。圖為正在進行真空熱測試的SO(圖片來源:ESA)

SO處於一條橢圓形的軌道上,軌道距離太陽最近的距離大約為0.28AU,最遠則在1AU附近,相當於在地球公轉軌道的里面來回穿行。除了類似於望遠鏡的可以直接看太陽的遙感觀測儀器外,SO還配備了4台局地探測儀器,用以“感受”它所​​在位置的磁場和等離子體參數。在時而靠近、時而遠離太陽的過程中,SO可以記錄下這些參數逐漸遠離太陽時所發生的變化,讓科學家們了解太陽風和日冕物質拋射從太陽到地球的旅程中到底發生了哪些變化——這對準確的空間天氣預報同樣重要。

使用X射線和極紫外波段觀測合成的日冕圖像(圖片來源:NASA)

使用X射線和極紫外波段觀測合成的日冕圖像(圖片來源:NASA)

2018年8月發射的帕克太陽探測器(PSP),是SO是各有所長的一對搭檔:PSP雖然遙感觀測儀器沒有SO豐富,軌道也基本處在地球公轉面以內,但其與太陽的最小距離比SO更小,能夠探測到日冕加熱和太陽風加速最原始的過程。而SO豐富的遙感觀測數據和不同日心距離的局地探測數據,則可以為揭開PSP數據背後的秘密提供豐富的線索。總之,PSP和SO雙劍合璧,必然能夠笑傲日球層的江湖。

    PSP和SO的雙劍合璧(圖片來源:ESA)

PSP和SO的雙劍合璧(圖片來源:ESA)

科學不但能滿足人類的好奇心,為新技術提供理論源頭,更能給予人類免於恐懼的自由。彼時,當人類對太陽的科學認知幾乎為零時,不過是自然發生的日食也會給人們帶來恐慌,而當現代人對電力、衛星定位、衛星通信、跨洋航班所帶來的便利習以為常時,來自太陽的風暴又是對現代生活和航天活動的現實威脅。若未來某天,災難果真降臨,我們能否從容的預知它的發生、為它做好萬全的準備,全仰仗我們對太陽和空間天氣的科學認識水平。可以期待的是,PSP和SO前所未有的觀測位置,將會使我們更理解太陽,我們的母星。

太陽風暴示意圖(圖片來源:AGU)

太陽風暴示意圖(圖片來源:AGU)