发布日期 2020-02-05

太阳两极的首次探索:新任务将“俯视”研究太阳

原标题:太阳两极的首次探索:新任务将“俯视”研究太阳

图片来源: NASA

紧跟帕克太阳探测器的步伐,一架新的航天器将带领我们前往太阳,拍下第一张太阳两极的照片。

在欧洲空间局与美国航空航天局的合作下,这架名为太阳轨道飞行器的航天器将于美国东部时间2020年2月7日晚上11:15(北京时间2月8日中午12:15)尝试首次发射,发射地点为卡纳维拉尔角。太阳轨道飞行器将搭乘联合发射同盟的阿特拉斯-5型运载火箭(Atlas V)进行发射,升入太空后将利用金星和地球的引力离开黄道面(ecliptic plane,即地球绕太阳公转的轨道平面,与太阳赤道面的夹角接近于零度,几乎所有的太阳系行星都在黄道面上运行),从而能够利用它的鸟瞰视角首次对太阳两极进行观测。

“在太阳轨道飞行器之前,所有的太阳成像仪器都位于黄道面以内或是非常接近黄道面,”罗素?霍华德(Russell Howard)说道,“而现在,我们将能够从上方俯视太阳。”霍华德是华盛顿特区海军研究实验室的空间科学家,同时也是太阳轨道飞行器上十种仪器之一的首席研究员。

在位于荷兰的欧洲空间研究与技术中心,太阳轨道飞行器任务的ESA项目科学家丹尼尔?穆勒(Daniel Müller)表示:“这将是一个未知的世界,将是真正意义上的探索性科学。”

对于我们周围空间的塑造,太阳起到了非常核心的作用。它所产生的巨型磁场,延伸范围远远超出了冥王星所在的地方,铺出了一条特别的“高速公路”,让带电的太阳粒子也就是太阳风(solar wind)能肆意地在整个太阳系中飞驰。当爆发的太阳风袭击地球时,它们强大的能量会引发太空风暴天气,进而干扰我们的GPS和通信卫星;在情况更为严重时,它们甚至可能会威胁到宇航员的安全。

太阳爆发对地球磁场影响的模拟。该视频由两轮观测模型共同模拟而成:其中一个考察的是2006年中等强度的日冕物质抛射;另一个考察的是高强度日冕物质抛射的结果,例如1859年卡灵顿事件中的CME。这些模型让我们能够估算出冲击地球的大事件可能带来的后果,从而更好地保护我们的电网和卫星。为了理解和预测太空天气事件对地球的影响,NASA戈达德航天飞行中心的共享协作建模中心定期运行着许多历史事件的计算机模型,然后将这些运行模型与实际数据进行比较,进一步采用相应的方式改进模型,从而对未来的太空天气事件进行更准确的预报。有时,我们需要一个实际事件来获取真实数据,对比模型进行测试,比如在极端太空天气事件发生时,研究人员必须利用相当有限的数据来测试模型。视频左侧的垂直线代表来自太阳的磁场线。

视频来源: NASA戈达德航天飞行中心/科学可视化工作室/共享协作建模中心

字幕制作: 哇喳@NASA爱好者

为了在往后太阳风暴到来时做好充足的准备,科学家需要对太阳磁场进行监测,而现有的监测技术只有在直接视角下才能发挥最好的作用;视角越陡,数据中的噪音就会越多。现在我们是从黄道面上倾斜着瞥见太阳两极,这留下了很大的数据空白。

在位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德航天飞行中心,太阳轨道飞行器任务的NASA项目科学家霍莉?吉尔伯特(Holly Gilbert)说:“太阳两极对于我们进行精确建模来说尤为重要,为了能预测太空天气事件,我们需要一个非常精确的太阳全球磁场模型。”

除此之外,太阳的两极或许还能解释数百年来的历史观测结果。1843年,德国天文学家萨穆埃尔?海因里希?施瓦贝(Samuel Heinrich Schwabe)发现,太阳黑子(sunspot,太阳光球表面上的深色斑点,是强磁场的聚集区域)的数量存在周期性的起伏变化。如今,我们知道这个周期是大约11年的太阳活动周(solar cycle)。在太阳活动周刚开始的几年中,太阳黑子的数量不断上升,且活动日益加剧,太阳黑子的数量达到顶峰时即为太阳活动的极大年,太阳爆发活动剧烈,太阳风暴频次也最高;在随后的几年中,黑子活动逐渐减弱,黑子数量极少的年份即为太阳活动极小年,太阳活动也会降到最弱。吉尔伯特说:“但是我们不明白为什么这个周期是11年,以及为什么有些太阳活动的极大值比其他极大值更大。”观察太阳两极磁场的变化或许可以为我们解答这些谜团。

此前唯一飞越过太阳两极的航天器也来自ESA和NASA的合作探究。尤利西斯号太阳探测器(Ulysses)于1990年发射,在2009年退役之前绕我们的恒星运转了三圈。但尤利西斯号太阳探测器离太阳最近时也比日地距离还远,而且它只携带了所谓的原位仪器(in situ instrument),就像我们的触觉一样,只对探测器周围的太空环境进行即时的测量。

相比之下,太阳轨道飞行器将进入到水星轨道的内部,并装载4台原位仪器和6台遥感成像仪,这些仪器能够从远处观测到太阳。太阳轨道飞行器任务的NASA副项目科学家特蕾莎?涅维斯-钦奇利亚(Teresa Nieves-Chinchilla)表示:“我们将能够绘制出利用原位仪器所‘触摸’到的太空环境,以及利用遥感成像仪所‘看’到的太阳。”

ESA / NASA太阳轨道飞行器任务概览。

视频来源:NASA戈达德航天飞行中心/乔伊?额(Joy Ng)

字幕制作:哇喳@NASA爱好者

经过多年技术上的发展,它将成为有史以来面朝太阳的相机中最接近太阳的那一个。穆勒说:“在保持直面太阳的同时,比太阳轨道飞行器离太阳更近几乎是不可能的。”

在7年的飞行任务之中,太阳轨道飞行器将运行到比太阳赤道高24度的倾斜面上,在后续的3年任务延长操作下,这一角度将逐步增加到33度。在最接近太阳时,航天器飞越太阳的距离将在2600万英里(约4200万公里)以内。

为了阻隔来自太阳的致命热量,太阳轨道飞行器采用了特殊设计的钛隔热罩,上面附有磷酸钙涂层,可承受900华氏度(约480摄氏度)以上的高温,这是位于地球轨道上的航天器所面临的太阳热量的13倍。其中5种遥感仪器将通过隔热罩上的窥视孔观测太阳;还有一种将从侧面观测太阳风。

这幅动图展示了太阳轨道飞行器高度倾斜轨道的一部分。

图片来源: ESA/ATG medialab

自2018年8月帕克太阳探测器发射以来,太阳轨道飞行器将成为NASA近年来对内层太阳系的第二次主要探测任务。帕克已经完成了4次近距离的太阳飞越,在最接近时,离太阳的飞行距离仅400万英里(约640万公里)。

这两个航天器将协同工作:当帕克近距离对太阳粒子进行采样时,太阳轨道飞行器将在更远的位置拍摄太阳图像,两者的观测结果将进行整合汇总。在偶然的情况下,两个航天器也可能处于同一观测线上,在不同的时间点对同样的太阳磁场线或太阳风流束进行观测。

涅维斯-钦奇利亚说:“我们在帕克身上学到了很多东西,太阳轨道器飞行的加入只会给我们带来更多的未知的信息。”

太阳轨道飞行器是欧洲空间局和NASA的国际合作任务,由位于荷兰的ESA欧洲空间研究与技术中心(ESTEC)负责管理开发。发射后,位于德国的欧洲空间运营中心将负责太阳轨道飞行器的运行。太阳轨道飞行器是由空中客车集团防务及航天公司制造的,装载了10台仪器,其中9台由ESA成员国和ESA提供,而NASA则提供了一套名为SoloHI的仪器套件,并为另外3台仪器提供了探测器和硬件。

参考来源:

[1]https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/new-mission-will-take-first-peek-at-sun-s-poles

[2]https://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000/a011600/a011660/

[3]https://svs.gsfc.nasa.gov/13527

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