人类将首次拍下太阳两极的照片
2020-02-12 11:15:23
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来源:爱范儿

  昨天中午,在大洋彼岸的黑夜中,美国宇航局(NASA)和欧洲航天局(ESA)联手开发的‘太阳轨道飞行器’( Solar Orbiter),从卡纳维拉尔角空军基地发射升空。

  这个飞行器最终的目的地,就是带给地球黎明的太阳,它将首次拍下太阳两极的图像,开启人类探索太阳的一段新征程。

  有史以来离太阳最近的相机,将首次拍下太阳两极照片

  尽管人类对太阳的观测已经有很长一段时间,不久前世界最大的太阳望远镜还公布了首批高清太阳照片,但所有观测太阳的成像仪器,都只能拍到黄道面(ecliptic plane)角度的太阳,从未观测过太阳的两极。

  所谓黄道面,就是地球以及其他行星围绕太阳公转的平面。而太阳轨道飞行器则要脱离黄道面,以鸟瞰视角对太阳两极进行观测。

  其实这并不是第一个尝试飞越太阳两极的飞行器,1990 年美国宇航局(NASA)和欧洲航天局(ESA)就曾合作,将尤利西斯号太阳探测器(Ulysses)发射升空,尤利西斯号在 2009 年退役前,曾绕太阳飞行了三圈。

 尤利西斯号太阳探测器。尤利西斯号太阳探测器。

  虽然尤利西斯号也曾掠过太阳两极,但与太阳的最近距离比日地距离还要远,而且它只携带了原位仪器(in situ instrument),只能测量飞船周围的太阳风情况。

  而这一次的太阳轨道飞行器,在最近的时候距离太阳表面只有 2600 万英里(约 4184 万公里),这将比距离太阳最近的行星水星( 5800 万公里)更接近太阳,这也是观测太阳的理想距离。

  通过太阳轨道飞行器携带的 4 台原位仪器和 6 台遥感成像仪,人类将首次拍下太阳两极的照片,这也是有史以来最接近太阳的相机。这次任务 NASA 副项目科学Teresa Nieves-Chinchilla 表示:

  我们能够绘制出原位仪器观所‘触摸’到的太空环境,以及遥感成像仪‘看到’的太阳。

  不过飞行器要逃离黄道面也不容易,这需要更大的能量,太阳轨道飞行器将利用地球和金星的引力,将自己弹射到两极的观察区域。

太阳轨道飞行器的预计飞行轨道。 图片来自:ESA太阳轨道飞行器的预计飞行轨道。 图片来自:ESA

  这其实是利用了航天动力学中的‘弹弓效应’,通过行星或其他天体的相对运动和引力改变飞行器的轨道和速度,以此来节省燃料、时间和成本。

  这样的场景在科幻电影《星际穿越》就曾出现,电影中飞船燃料不足,宇航员只能通过多次飞近一颗引力巨大的黑洞,从而获得了加速度以抵达下一个星球。

《星际穿越》剧照《星际穿越》剧照

  据 NASA 介绍,在太阳轨道飞行器的设计寿命为 7 年,将在太阳赤道高 24 度的倾斜面上运行,3 年后倾斜将达到 33 度。

  飞行器靠近太阳后,面临的则是超高温的考验。要知道被太阳高温炙烤的水星,白天温度就到达 430 ℃,而比水星更接近的太阳的飞行器,所要承受的温度更高,在这样的高温下,太空探测器和众多仪器往往难以正常工作。

 太阳轨道飞行器的隔热罩。太阳轨道飞行器的隔热罩。

  因此太阳轨道飞行器采用一种定制的钛隔热罩,上面覆盖了磷酸钙涂层,可以承受超过 900 华氏度(约 480 ℃)的高温,其中 5 个遥感成像仪测将通过隔热罩上的窥视孔观测太阳,隔热罩后的仪器的温梯度能在保持在零下 4 华氏度到零下 122 华氏度之间。

  正如欧洲航天局的科学家 Daniel Müller 所说,这将进入一个未知的世界。

  太阳两极背后的秘密,可能和每个地球人都有关系

  为什么要千里迢迢给太阳两极拍照?因为在太阳两极发生的事,可能对太空中的航天器、宇航员。乃至地球上每个人都会造成不小的影响。

  这要从太阳黑子说起,1843 年德国天文学家 Samuel Heinrich Schwabe 发现太阳黑子存在周期性的变化。在为期 11 年的周期里,太阳黑子数先增加,然后逐渐下降至初始水平,而太阳的两极的磁场,每 11 年也会翻转一次。

 太阳耀斑。 图片来自:NASA太阳耀斑。 图片来自:NASA

  在太阳磁场翻转前夕,太阳黑子活动会达到顶峰,太阳风暴也出现的最为频繁。

  当这些太阳风暴袭击地球,会对地球磁场产生扰动,不仅会对干扰 GPS 和通信卫星,威胁太空中宇航员的生命,地球大量电子设备和基础设施也可能受到波及。

  在 1859 年 9 月,地球曾遭遇了有记载以来最强烈的太阳风暴,全球多地都出现了绚丽的极光,而同时欧洲和北美的电报系统却彻底瘫痪,电报机自动起火,甚至有发报员遭遇电击,史称‘卡灵顿事件’。

 图片来自:Amino Apps图片来自:Amino Apps

  类似的事情发生了不止一两次。1989 年的 3 月的一次太阳风暴,就让加拿大魁北克省电网瘫痪,全省停电超过 9 个小时。同时美国新泽西州的塞伦核电站也严重损毁。

新泽西塞伦核电站损毁的变压器。 图片来自:Modern Survival Blog新泽西塞伦核电站损毁的变压器。 图片来自:Modern Survival Blog

  在这个高度依赖电网、卫星导航和各种电子设备的的现代社会,太阳风暴给我们造成影响将更加巨大。根据美国科学院 2011 年的一份报告,如果发生超级太阳风暴,第一年就可能给美国带来 1-2 万亿美元的损失,而风暴后的重建时间可能需要 4-10 年。

  要避免太阳风暴对我们造成影响,首先就要搞清楚其形成的原理。科学家认为,太阳风暴的形成可能与太阳黑子 11 年的活动周期有关,但科学家一直无法搞清楚为什么这个周期是 11 年,NASA 科学家 Holly Gilbert 认为,观测太阳两极磁场的变化或许可以找到答案。

  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。

  与帕克太阳探测器合作,破解更多未解之谜

  太阳轨道飞行器是 NASA 是近年来对内层太阳系的第二次主要探测任务,2018 年 8 月,NASA 斥资 15 亿美元打造的帕克太阳探测器(Parker Solar Probe)就开始了逐日之旅。

  帕克太阳探测器是有史以来距离太阳最近的探测器,也是人造航天器首次抵达恒星大气层。在 1 月 29 日,帕克太阳探测器才刚刚完成了第四次近日飞行,最近的时候距离太阳表面只有 400 万英里(约 640 万公里)。

  而在不久的将来,太阳轨道飞行器会与帕克太阳探测器协同工作,帕克太阳器在近距离对太阳粒子进行采样,而太阳轨道飞行器则在更远处拍摄太阳的图像,科学家会将两者的观测结果整合到一起。

  此外当两个探测器偶尔处于统一水平线上时,还会在不同的时间点对同样的太阳磁场线或太阳风流束进行测量。NASA 科学家 Nieves-Chinchilla 表示,两个探测器一同进入轨道是航天史上一个巨大里程碑。

  这是太阳物理学家数十年来一直在等待的事情。在未来十年,两者必将共同改变这一领域。

  跟帕克太阳探测器,当太阳轨道飞行器完成任务后,不太可能再返回地球了,除了隔热罩的部分都会被燃烧殆尽,只剩下隔热罩绕着太阳旋转,数千年后,这会成为人类探索太阳的印记,就像果壳网编辑 @Ent_evo 畅想的那样:

  也许当智慧生命第二次在地球上诞生的时候,会注意到太阳边上的一个明亮小物体。也许这将是伊卡洛斯飞得离太阳最近的一次。


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