太陽軌道飛行器啟程 帶你去看太陽極區長啥樣

2020年02月26日09:21  來源:科技日報
 

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太陽對人類及地球的重要性已毋庸置疑,太陽打個噴嚏,地球就要發燒。無數事例証明,地球上的異常自然災害,很多和太陽活動有莫大干系。對於太陽物理和空間物理學家來說,最大的願望就是能把太陽360度無死角看個清楚,好更多了解給予我們光和熱的這顆恆星。

近日,在美國卡納維拉爾角,聯合發射聯盟的阿特拉斯五號火箭把一位新的太陽“攝影師”送上了一條前輩沒有走過的路。她不但可清晰地看到太陽的南北兩極,還能利用手中的十八般兵器,把太陽的周身看個清清楚楚。她的名字叫太陽軌道飛行器(Solar Orbiter,SO)。

SO是歐洲航天局和美國國家航空航天局聯合研制的太陽探測器,承擔了繼帕克太陽探測器后,人類對內層太陽系的又一次探測任務。

對太陽兩極作完整可靠的觀測

如果我們能把視角從地球擴展到整個太陽系,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——黃道面上。此前,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,大部分也隻能在地球公轉軌道面附近運行。因此,此前服役的一些太陽探測器,隻能提供地球公轉面附近的觀測視角,無法准確看到太陽極區的情況。而設置在地面上的各類太陽望遠鏡更是如此。

中國科學院雲南天文台太陽活動及日冕物質噴發理論研究組首席研究員林雋告訴科技日報記者,首先,太陽是一個整體,兩極區域和其他區域都是太陽上相互關聯、相互影響的部分。因此想要全面研究太陽、了解太陽,哪個部分都不能少。以前沒有相關研究或者說研究得太少,是因為沒有獲得過關於太陽兩極完整可靠的觀測資料。

其次,我們看到的、能夠影響地球及周邊環境的太陽活動與包括太陽耀斑在內的太陽爆發,都源於太陽大氣中磁場結構的變化、磁場能量轉化和釋放。太陽大氣中的磁場先在太陽內部產生,在太陽兩極區域上浮到太陽大氣當中,然后跟著太陽內部的物質流動慢慢地向赤道區域漂移。在漂移的過程中,這些磁場自身會發生變化,並與周圍其他的磁場相互作用而發生能量的轉化、釋放,驅動太陽耀斑等爆發現象產生。

太陽風是從太陽表面吹出來的高速等離子體流,或者說是高速帶電粒子流,它們在磁場的引導下向外運動。如果人類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。“磁場如何從太陽內部進入太陽大氣?進入太陽大氣之后如何演化、如何延伸?了解這些對研究太陽風的走向和運動特性至關重要。這也是人們為什麼要加強對太陽兩極的觀測和研究。”林雋說。

借力“蕩出”太陽公轉黃道面

地球繞太陽公轉的軌道所在平面與太陽的赤道所在平面大致重合,因此在地球附近或在地球公轉軌道面上觀測太陽的話,隻能夠觀測到太陽赤道附近的磁場和活動現象,靠近極區或者在極區當中的情形就難以得知。

“太陽軌道飛行器將逐步飛出黃道面,我們將首次看到太陽兩極。”參與此次任務的荷蘭諾德維克歐洲空間研究與技術中心的太陽物理學家丹尼爾·穆勒說。通過飛越太陽兩極,我們可以觀測太陽兩極的磁場和周圍等離子體的物理特性和化學組成。

“發射能夠繞著太陽兩極飛行的飛船,使其軌道面盡可能垂直於地球公轉的軌道面,這要耗費非常巨大的能量,或者說需要非常強大的火箭並耗費非常多的燃料,技術上和經濟上都不合算。”林雋認為,經濟合理的辦法,就是先將飛船發射到地球公轉的軌道上,在這個軌道平面內運動到其他行星附近,利用其他行星的引力,實現飛船的加速或減速,然后在合適的時機,啟動飛船上的推進器,改變飛船的運動軌跡並飛離這顆行星。“這個過程叫行星借力。通過行星借力,一來可以提高或降低飛船的速度,二來可以改變飛船的運動軌道,比如將原來在黃道面內運動的飛船推到垂直於黃道面的軌道上。”林雋打了個比方,利用行星借力改變飛船軌道,有點像高速運動的汽車發生側滑時的情況。一個高速運動的物體,即使受到很小的側面推力,運動軌跡馬上就會發生顯著的變化。借助金星和地球的引力,SO在飛行中與金星形成軌道共振關系,定期相遇。每相遇一次,就能借助金星的引力拉近與太陽的距離,同時逐漸偏離地球公轉軌道面。

據悉,在最初4年的基本任務階段,SO運行軌道相對太陽赤道面的軌道傾角,可以達到17度,能夠更清楚地觀察到太陽極區。在后續的擴展任務階段,其軌道傾角可以達到33度,對太陽極區的觀測質量將會進一步提高。

SO能干的事還有很多

過去唯一去過太陽兩極的航天器是1990年發射的尤利西斯探測器。在2009年退役前它繞著太陽飛行了3圈,探測太陽極區太陽風和高能粒子,獲得了非常豐富的資料,更新了人們關於太陽風的很多知識,但它攜帶的照相機沒能正常工作,因此沒有獲得太陽極區的照片,也沒有能夠了解那個區域內磁場、等離子體的空間結構和演化特征。

此次SO的軌道距離太陽最近時約為地日平均距離的0.28倍,最遠則與地日距離相仿。“此前,沒有人能夠在如此近的距離拍攝太陽極區圖像。”負責管理磁強計儀器的英國倫敦帝國理工學院海倫·奧布賴恩說:“我們應該能夠看到一些美麗的畫面。”

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”所在位置的磁場和等離子體參數。芬蘭赫爾辛基大學的科學家艾米莉亞·基爾普亞博士說:“太陽軌道飛行器的一大優點,是它的探測范圍將覆蓋很多不同的距離,因此當日冕物質從太陽發射到地球時,我們可以真正地捕捉到這些日冕物質拋射。”這可以讓科學家們了解到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﹔對准確進行空間天氣預報很重要,可給人們帶來最及時的預警。

2018年8月發射的帕克太陽探測器,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,但它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,則可以為揭開帕克探測器數據背后的秘密提供豐富線索。

“SO獲得的觀測資料,還將幫助我們回答當代太陽物理研究的一系列核心問題。”林雋說,對太陽風的觀察,或可幫助我們認識太陽風的驅動源是什麼,日冕磁場源於何處,太陽上磁場再生過程是如何工作的,又是如何制約太陽同整個太陽系空間之間的聯系﹔在太陽爆發與周圍太陽風的相互作用方面,可以幫助人們進一步摸清太陽瞬變現象或爆發如何影響包括地球周圍環境在內的太陽周圍行星際環境變化﹔在太陽高能粒子的來源、加速和傳播過程方面,可揭示太陽爆發是如何產生充滿整個太陽系空間的高能粒子輻射,太陽爆發驅動的激波可以將帶電粒子加速到接近光速的能量,而這些高能粒子是如何進入、並充滿行星際空間等一系列重大科學問題。(趙漢斌)

(責編:朱傳戈、王靜)