人类又一太阳探测器出发,带我们换个角度看太阳

作者: 李会超

来源: 科学大院

发布日期: 2020-02-10

新的太阳探测器Solar Orbiter将提供前所未有的太阳极区观测视角,帮助科学家更好地理解太阳活动及其对地球和航天器的影响。

喜欢拍照的朋友们都知道,即使对于同样的场景,变换角度拍摄后仍然可能得到效果不同的照片。无论是徘徊在车展上的模特周围,不停的重复蹲下起立的人像摄影师,还是为了记录城市的全景和天际线,不惜混入摩天大楼工地的风光摄影师,对这一点相信都有切身的感受。而对于太阳物理和空间物理学家来说,他们的愿望就是能把太阳的上下左右、里里外外全都看清,好彻底地理解给予我们光和热的这颗恒星。

然而,自古至今,人类观察太阳的视角却始终被局限在地球公转轨道所在的平面上,从未能对太阳的南北两极进行细致的观测。更撩动科学家心弦的是,太阳的南北两极发生的事,对太阳如何影响航天器的飞行乃至我们生存的环境,都有着重要的意义。

美国东部时间2月9日晚上10:30,也就是北京时间2月10日的上午11:30,一位新的太阳摄影师将上线,她的名字叫Solar Orbiter。

她将走上一条前辈没有走过的路,不但能够清晰地看到太阳的南北两极,还能利用手中的十八般兵器,细致入微地看清太阳的每一张面孔。欧洲是人类科学认识太阳的起源地。当17世纪伽利略最早将望远镜应用于天文观测时,太阳黑子就是望远镜的重要观测对象。

1844年,连续积累18年的太阳黑子群数量记录启发德国天文学家施瓦贝发现了太阳黑子数量的变化规律:在为期11年的周期中,黑子数先增加,之后逐渐减少,最终回到11年周期开始时的水平。而天文学家沃尔夫对历史数据的回溯,更确切的证明了施瓦贝的结论。通过不断积累的观测与研究,人们对太阳黑子的出现与变化的规律已经有了更深入的认识。

总之,要研究明白太阳上的事情,准确的预报太阳活动对于天上飞的飞船和地上生活的我们产生的空间天气效应并有所准备,需要看清太阳的两极。遗憾的是,我们一直看不清。为什么看不清?我们先从卫星观察地球的例子说起。下面这种图片是工作的地球静止轨道上的风云4-A卫星拍摄的今年2月4日白天的地球图像,从这幅图中,我们可以清晰的看到包括我国在内的地区,然而对于南北极地区,则只能看清一部分地区的大致轮廓。

要清晰对南北极实施观测,卫星不能在赤道上空的静止轨道工作,必须进入倾角比较高的轨道。当我们把视角由地球附近扩展到整个太阳系时将会看到,包括地球在内的所有行星都集中在太阳赤道附近的平面上。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。

这次,SO将一次满足科学家们所有的愿望:靠近太阳,飞出地球公转轨道,用各个波段的遥感观测仪器把太阳极区看通透。

要完成这件事,当然要有特别的轨道。借助金星和地球的引力,SO在发射后将会在飞行中与金星形成轨道共振关系,定期相遇。每相遇一次,就能借助进行的引力拉近与太阳的距离,同时逐渐偏离地球公转轨道面。在最初4年的基本任务阶段,相对太阳赤道面的轨道倾角可以达到17度,已经可以比地球上更清楚的观察到太阳极区。而在之后的扩展任务阶段,轨道面相对于太阳赤道的倾角则可以达到33度,对太阳极区的观测质量将会进一步提高。

2018年8月发射的帕克太阳探测器(PSP),是SO是各有所长的一对搭档:PSP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,但其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PSP数据背后的秘密提供丰富的线索。总之,PSP和SO双剑合璧,必然能够笑傲日球层的江湖。

科学不但能满足人类的好奇心,为新技术提供理论源头,更能给予人类免于恐惧的自由。彼时,当人类对太阳的科学认知几乎为零时,不过是自然发生的日食也会给人们带来恐慌,而当现代人对电力、卫星定位、卫星通信、跨洋航班所带来的便利习以为常时,来自太阳的风暴又是对现代生活和航天活动的现实威胁。若未来某天,灾难果真降临,我们能否从容的预知它的发生、为它做好万全的准备,全仰仗我们对太阳和空间天气的科学认识水平。

可以期待的是,PSP和SO前所未有的观测位置,将会使我们更理解太阳,我们的母星。

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