歐美合作首次直接觀測(cè)太陽(yáng)極地區(qū)域

美國(guó)東部時(shí)間2月9日晚上11:03(北京時(shí)間2月10日12:03)，由歐洲空間局制造、1800公斤重的“太陽(yáng)軌道器”(Solar Orbiter)航天器，搭乘一枚阿特拉斯5火箭，從美國(guó)卡納維拉爾角空軍基地騰空而起。

太陽(yáng)軌道器從美國(guó)卡納維拉爾角空軍基地騰空而起

53分鐘后，按照預(yù)定計(jì)劃，太陽(yáng)軌道器與火箭成功分離，這標(biāo)志著火箭發(fā)射取得了成功。但對(duì)于太陽(yáng)軌道器，這只是“萬(wàn)里長(zhǎng)征邁出了第一步”。

太陽(yáng)軌道器靠近太陽(yáng)之旅

還需要在太空中飛行逾5年時(shí)間，太陽(yáng)軌道器才能首次“看到”太陽(yáng)極地區(qū)域。12月26日，太陽(yáng)軌道器將飛越金星，利用引力彈弓效應(yīng)，借助金星加速，進(jìn)入更靠近太陽(yáng)的軌道;明年，它將再次借力金星和地球，使自己更靠近太陽(yáng)——與太陽(yáng)的距離比水星更近。

2025年2月18日，再次飛越金星將使太陽(yáng)軌道器與黃道面傾角達(dá)到約17度，首次“看到”太陽(yáng)極地區(qū)域。2029年6月飛越金星時(shí)，它與黃道面傾角將增加到33度。

在10年任務(wù)期內(nèi)，太陽(yáng)軌道器將圍繞太陽(yáng)飛行22圈。

不同尋常

這里我們先來了解一個(gè)概念：黃道面。不要想歪了，它跟“黃道吉日”不是親戚，是正經(jīng)的科學(xué)。對(duì)于黃道面，百度百科的解釋是：地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道平面，與地球赤道面交角為23°26'。

黃道面

與地球相似，太陽(yáng)系中其他7個(gè)行星，圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道基本上也在黃道面內(nèi)，雖然有偏差，但相當(dāng)小。不光是太陽(yáng)系，其他任何恒星系也都是這樣，這是由恒星生成規(guī)律決定的，跟“黃道吉日”沒有半毛錢關(guān)系。

迄今為止，人類向太陽(yáng)發(fā)射的航天器的運(yùn)行軌道，也都在黃道面內(nèi)。這就決定了它們的觀測(cè)范圍：太陽(yáng)赤道及其兩側(cè)——從這一意義上來說跟在地球上觀測(cè)沒有本質(zhì)的突破。

太陽(yáng)軌道器的不同尋常之處就在于，它圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的軌道不在黃道面內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)極地區(qū)域的觀察。

與我們熟悉的地球一樣，太陽(yáng)也是有兩極的，但我們?cè)诘厍蛏?，以及以前發(fā)射的航天器難以直接觀測(cè)到。這就是太陽(yáng)軌道器的使命：對(duì)太陽(yáng)極地區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)。

科學(xué)家希望，太陽(yáng)軌道器收集的數(shù)據(jù)和拍攝的圖像，能回答有關(guān)太陽(yáng)的一些未解之謎，其中之一是為什么太陽(yáng)活動(dòng)周期是11年?

11年之謎?

太陽(yáng)活動(dòng)周期對(duì)地球有很大影響

在談到太陽(yáng)軌道器的使命時(shí)，歐洲空間局該項(xiàng)目科學(xué)家丹尼爾·穆勒(DanielMüller)說，人類已經(jīng)觀察了太陽(yáng)400年，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)活動(dòng)存在周期性，“但我們真心不知道它的周期為什么是11年，這肯定是有原因的”。

每隔約11年，太陽(yáng)兩極的磁場(chǎng)就會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

在11年的周期中，太陽(yáng)活動(dòng)會(huì)經(jīng)歷所謂的“太陽(yáng)極大期”和“太陽(yáng)極小期”。“太陽(yáng)極大期”期間，太陽(yáng)黑子多;“太陽(yáng)極小期”期間，黑子就少。

太陽(yáng)黑子活躍時(shí)會(huì)對(duì)地球磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。出現(xiàn)的磁暴現(xiàn)象會(huì)使指南針亂抖動(dòng)，不能正確指示方向;無(wú)線通信也會(huì)受到嚴(yán)重阻礙，甚至中斷一段時(shí)間，從而影響飛機(jī)、輪船和衛(wèi)星的安全，甚至?xí)斐呻娋W(wǎng)中斷。

數(shù)十年來，科學(xué)家一直在試圖揭開太陽(yáng)活動(dòng)之謎，以為地磁暴的爆發(fā)做好準(zhǔn)備，減少太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)人類的不利影響。

通過觀察太陽(yáng)赤道及兩側(cè)附近區(qū)域，科學(xué)家對(duì)太陽(yáng)磁場(chǎng)有了一定了解。對(duì)于太陽(yáng)磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)過程來說，極地區(qū)域是重要的組成部分，科學(xué)家希望對(duì)太陽(yáng)極地區(qū)域進(jìn)行直接觀測(cè)，更好地對(duì)太陽(yáng)磁場(chǎng)“號(hào)脈”。穆勒說，“我們希望能可靠地預(yù)測(cè)太空天氣，但對(duì)太陽(yáng)極地區(qū)域知之甚少。”

護(hù)身鎧甲

圖5：防熱罩

在最靠近時(shí)，太陽(yáng)軌道器與太陽(yáng)的距離僅為4200萬(wàn)公里，它需要能防熱、防輻射。從地球出發(fā)后，太陽(yáng)軌道器需要穿越漆黑一片的太空，忍受低至零下300華氏度的極低溫。

保護(hù)太陽(yáng)軌道器不會(huì)被高溫熔化的，是一塊大小為10英尺 X 8英尺(3米 X 2.4米)、重量為324磅(147千克)的防熱罩。防熱罩可以耐970華氏度(521℃)的高溫。

防熱罩可以耐逾521℃高溫

防熱罩由三層材料組成，最外面一層的材質(zhì)是鈦，能反射熱量;中間是熱絕緣材料，最里層是蜂巢結(jié)構(gòu)的鋁材質(zhì)。防熱罩厚度為15英寸(38厘米)。

防熱罩還需要能防輻射，強(qiáng)烈的紫外線輻射，會(huì)使防熱罩功能退化，失去保護(hù)太陽(yáng)軌道器的作用，這就是防熱罩涂有黑色磷酸鈣涂層的原因。

太陽(yáng)軌道器兩側(cè)還安裝有散熱器，為運(yùn)行的儀器降溫，確保它們能正常運(yùn)行。

以上是太陽(yáng)軌道器能耐高溫的硬件，軟件也是非常重要的。太陽(yáng)軌道器與地球的距離超過8800萬(wàn)英里——相當(dāng)于日地距離的95%——后，防熱罩就必須正對(duì)著太陽(yáng)，給太陽(yáng)軌道器撐起一把“遮陽(yáng)傘”。這意味著，地面控制中心必須精確控制其位置和傾斜角度。

搭載哪些科學(xué)儀器?

太陽(yáng)軌道器搭載有10種科學(xué)儀器，它們由不同國(guó)家研制，有些觀測(cè)太陽(yáng)軌道器的環(huán)境，例如磁場(chǎng)和太陽(yáng)風(fēng)粒子，有些則負(fù)責(zé)對(duì)太陽(yáng)拍照。

太陽(yáng)軌道器搭載的10種科學(xué)儀器

·SWA(太陽(yáng)風(fēng)等離子分析儀)：能夠測(cè)量離子和電子的特性——其中包括密度、速度、溫度。它還可以探測(cè)太陽(yáng)風(fēng)中的關(guān)鍵元素，例如碳、氮、氧、鐵、硅、鎂。

·EPD(高能粒子探測(cè)儀)：探測(cè)超高溫、高能粒子的成分、時(shí)間和分布。

·MAG(磁力計(jì))：以極高精度測(cè)量日球?qū)哟艌?chǎng)。

·RPW(無(wú)線電和等離子波分析儀)：利用諸多傳感器/天線，以極高的時(shí)間分辨率測(cè)量電場(chǎng)和磁場(chǎng)。

·PHI(偏振和日震成像儀)：對(duì)光球?qū)哟艌?chǎng)、視線速度和可見光范圍的連續(xù)強(qiáng)度，進(jìn)行高分辨率和全面測(cè)量。

·EUI(極紫外線成像儀)：提供光球?qū)又系奶?yáng)大氣層的圖像序列，揭示太陽(yáng)表面與日冕之間的聯(lián)系。

·SPICE(日冕環(huán)境光譜成像儀)：拍攝極紫外線照片，揭示太陽(yáng)日冕的等離子體性質(zhì)。

·STIX(X射線成像光譜儀望遠(yuǎn)鏡)：對(duì)太陽(yáng)發(fā)出的4-150千電子伏特的X射線拍照。

·METIS(日冕儀)：同時(shí)對(duì)日冕的可見光、紫外光和極紫外光拍照。

·SoloHI(太陽(yáng)軌道器日光層成像儀)：通過觀察由太陽(yáng)風(fēng)電子散射的可見光，對(duì)太陽(yáng)風(fēng)中的準(zhǔn)穩(wěn)定流和瞬時(shí)擾動(dòng)成像。

與帕克太陽(yáng)探測(cè)器的天作之合

與帕克太陽(yáng)探測(cè)器合作對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行探測(cè)

2018年，美國(guó)航空航天局發(fā)射了帕克太陽(yáng)探測(cè)器，它的軌道更靠近太陽(yáng)，是人類制造的有史以來速度最快的航天器。

帕克太陽(yáng)探測(cè)器與太陽(yáng)可以“親近”到僅400萬(wàn)英里。相比之下，地球距離太陽(yáng)9300萬(wàn)英里，太陽(yáng)系最里圈的行星水星，距離太陽(yáng)2900萬(wàn)英里。這意味著它需要更耐高溫——約200萬(wàn)華氏度。

太陽(yáng)軌道器與帕克太陽(yáng)探測(cè)器在遙遠(yuǎn)太空的協(xié)作，能夠發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)表面的一些現(xiàn)象。星期五，歐洲空間局科學(xué)主管岡瑟·哈辛格(Guenther Hasinger)在一次新聞發(fā)布會(huì)上說，“這真心是太空中一次完美、夢(mèng)幻般的天作之合。”

太陽(yáng)軌道器的“前輩”們

除太陽(yáng)軌道器與帕克太陽(yáng)探測(cè)器外，人類還發(fā)射過其他航天器對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行探測(cè)。

美國(guó)航空航天局發(fā)射的先進(jìn)成分探測(cè)器

·先進(jìn)成分探測(cè)器：在地球和太陽(yáng)之間監(jiān)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)的航天器，由美國(guó)航空航天局發(fā)射。

·Cluster：由歐洲空間局發(fā)射的4個(gè)航天器，在地球軌道上調(diào)查太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)的相互作用。

·Hinode：對(duì)太陽(yáng)磁場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)的日本航天器。

·太陽(yáng)過渡層成像光譜儀衛(wèi)星：在地球軌道上運(yùn)行的一臺(tái)小型紫外線望遠(yuǎn)鏡，由美國(guó)航空航天局發(fā)射，目的是研究太陽(yáng)大氣層底部熱量和能量的運(yùn)動(dòng)。

·Proba-2：歐洲空間局低成本衛(wèi)星上的兩種儀器，負(fù)責(zé)對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行觀察。

·日地關(guān)系天文臺(tái)：由美國(guó)航空航天局發(fā)射的兩個(gè)幾乎完全相同的航天器，圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道與地球相同，一個(gè)在地球前面，一個(gè)在地球后面。

·太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)觀察衛(wèi)星：美國(guó)航空航天局發(fā)射的一顆地球同步衛(wèi)星，目的是研究太陽(yáng)和太陽(yáng)天氣對(duì)地球的影響。

·太陽(yáng)和太陽(yáng)風(fēng)層探測(cè)器：由美國(guó)航空航天局和歐洲空間局聯(lián)合發(fā)射的航天器，自1995年以來一直在對(duì)太陽(yáng)拍照。

·風(fēng)：由美國(guó)航空航天局發(fā)射的航天器，目的是觀察來自太陽(yáng)的帶電粒子氣體。(作者/霜葉）

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