太阳轨道飞行器启程 带你去看太阳极区长啥样

2020年02月26日09:21  来源:科技日报
 

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太阳对人类及地球的重要性已毋庸置疑,太阳打个喷嚏,地球就要发烧。无数事例证明,地球上的异常自然灾害,很多和太阳活动有莫大干系。对于太阳物理和空间物理学家来说,最大的愿望就是能把太阳360度无死角看个清楚,好更多了解给予我们光和热的这颗恒星。

近日,在美国卡纳维拉尔角,联合发射联盟的阿特拉斯五号火箭把一位新的太阳“摄影师”送上了一条前辈没有走过的路。她不但可清晰地看到太阳的南北两极,还能利用手中的十八般兵器,把太阳的周身看个清清楚楚。她的名字叫太阳轨道飞行器(Solar Orbiter,SO)。

SO是欧洲航天局和美国国家航空航天局联合研制的太阳探测器,承担了继帕克太阳探测器后,人类对内层太阳系的又一次探测任务。

对太阳两极作完整可靠的观测

如果我们能把视角从地球扩展到整个太阳系,将会看到包括地球在内的所有行星都集中在太阳赤道附近的平面——黄道面上。此前,受航天技术的限制,从地球上发射的航天器,即便挣脱地心引力的束缚,大部分也只能在地球公转轨道面附近运行。因此,此前服役的一些太阳探测器,只能提供地球公转面附近的观测视角,无法准确看到太阳极区的情况。而设置在地面上的各类太阳望远镜更是如此。

中国科学院云南天文台太阳活动及日冕物质喷发理论研究组首席研究员林隽告诉科技日报记者,首先,太阳是一个整体,两极区域和其他区域都是太阳上相互关联、相互影响的部分。因此想要全面研究太阳、了解太阳,哪个部分都不能少。以前没有相关研究或者说研究得太少,是因为没有获得过关于太阳两极完整可靠的观测资料。

其次,我们看到的、能够影响地球及周边环境的太阳活动与包括太阳耀斑在内的太阳爆发,都源于太阳大气中磁场结构的变化、磁场能量转化和释放。太阳大气中的磁场先在太阳内部产生,在太阳两极区域上浮到太阳大气当中,然后跟着太阳内部的物质流动慢慢地向赤道区域漂移。在漂移的过程中,这些磁场自身会发生变化,并与周围其他的磁场相互作用而发生能量的转化、释放,驱动太阳耀斑等爆发现象产生。

太阳风是从太阳表面吹出来的高速等离子体流,或者说是高速带电粒子流,它们在磁场的引导下向外运动。如果人类不飞出地球公转轨道所在的平面,这些关于太阳风的三维结构认知都是无法得到的。“磁场如何从太阳内部进入太阳大气?进入太阳大气之后如何演化、如何延伸?了解这些对研究太阳风的走向和运动特性至关重要。这也是人们为什么要加强对太阳两极的观测和研究。”林隽说。

借力“荡出”太阳公转黄道面

地球绕太阳公转的轨道所在平面与太阳的赤道所在平面大致重合,因此在地球附近或在地球公转轨道面上观测太阳的话,只能够观测到太阳赤道附近的磁场和活动现象,靠近极区或者在极区当中的情形就难以得知。

“太阳轨道飞行器将逐步飞出黄道面,我们将首次看到太阳两极。”参与此次任务的荷兰诺德维克欧洲空间研究与技术中心的太阳物理学家丹尼尔·穆勒说。通过飞越太阳两极,我们可以观测太阳两极的磁场和周围等离子体的物理特性和化学组成。

“发射能够绕着太阳两极飞行的飞船,使其轨道面尽可能垂直于地球公转的轨道面,这要耗费非常巨大的能量,或者说需要非常强大的火箭并耗费非常多的燃料,技术上和经济上都不合算。”林隽认为,经济合理的办法,就是先将飞船发射到地球公转的轨道上,在这个轨道平面内运动到其他行星附近,利用其他行星的引力,实现飞船的加速或减速,然后在合适的时机,启动飞船上的推进器,改变飞船的运动轨迹并飞离这颗行星。“这个过程叫行星借力。通过行星借力,一来可以提高或降低飞船的速度,二来可以改变飞船的运动轨道,比如将原来在黄道面内运动的飞船推到垂直于黄道面的轨道上。”林隽打了个比方,利用行星借力改变飞船轨道,有点像高速运动的汽车发生侧滑时的情况。一个高速运动的物体,即使受到很小的侧面推力,运动轨迹马上就会发生显著的变化。借助金星和地球的引力,SO在飞行中与金星形成轨道共振关系,定期相遇。每相遇一次,就能借助金星的引力拉近与太阳的距离,同时逐渐偏离地球公转轨道面。

据悉,在最初4年的基本任务阶段,SO运行轨道相对太阳赤道面的轨道倾角,可以达到17度,能够更清楚地观察到太阳极区。在后续的扩展任务阶段,其轨道倾角可以达到33度,对太阳极区的观测质量将会进一步提高。

SO能干的事还有很多

过去唯一去过太阳两极的航天器是1990年发射的尤利西斯探测器。在2009年退役前它绕着太阳飞行了3圈,探测太阳极区太阳风和高能粒子,获得了非常丰富的资料,更新了人们关于太阳风的很多知识,但它携带的照相机没能正常工作,因此没有获得太阳极区的照片,也没有能够了解那个区域内磁场、等离子体的空间结构和演化特征。

此次SO的轨道距离太阳最近时约为地日平均距离的0.28倍,最远则与地日距离相仿。“此前,没有人能够在如此近的距离拍摄太阳极区图像。”负责管理磁强计仪器的英国伦敦帝国理工学院海伦·奥布赖恩说:“我们应该能够看到一些美丽的画面。”

除了类似于望远镜的可以直接看太阳的遥感观测仪器外,SO还配备了4台局地探测仪器,用以“感受”所在位置的磁场和等离子体参数。芬兰赫尔辛基大学的科学家艾米莉亚·基尔普亚博士说:“太阳轨道飞行器的一大优点,是它的探测范围将覆盖很多不同的距离,因此当日冕物质从太阳发射到地球时,我们可以真正地捕捉到这些日冕物质抛射。”这可以让科学家们了解到太阳风和日冕物质抛射从太阳到地球的旅程中到底发生了哪些变化;对准确进行空间天气预报很重要,可给人们带来最及时的预警。

2018年8月发射的帕克太阳探测器,虽然遥感观测仪器没有SO丰富,轨道也基本处在地球公转面以内,但它与太阳的最小距离比SO更小,能够探测到日冕加热和太阳风加速最原始的过程;而SO丰富的遥感观测数据和不同日心距离的局地探测数据,则可以为揭开帕克探测器数据背后的秘密提供丰富线索。

“SO获得的观测资料,还将帮助我们回答当代太阳物理研究的一系列核心问题。”林隽说,对太阳风的观察,或可帮助我们认识太阳风的驱动源是什么,日冕磁场源于何处,太阳上磁场再生过程是如何工作的,又是如何制约太阳同整个太阳系空间之间的联系;在太阳爆发与周围太阳风的相互作用方面,可以帮助人们进一步摸清太阳瞬变现象或爆发如何影响包括地球周围环境在内的太阳周围行星际环境变化;在太阳高能粒子的来源、加速和传播过程方面,可揭示太阳爆发是如何产生充满整个太阳系空间的高能粒子辐射,太阳爆发驱动的激波可以将带电粒子加速到接近光速的能量,而这些高能粒子是如何进入、并充满行星际空间等一系列重大科学问题。(赵汉斌)

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