來(lái)源：ohb-sweden.se

太陽(yáng)對(duì)人類(lèi)及地球的重要性已毋庸置疑，太陽(yáng)打個(gè)噴嚏，地球就要發(fā)燒。無(wú)數(shù)事例證明，地球上的異常自然災(zāi)害，很多和太陽(yáng)活動(dòng)有莫大干系。對(duì)于太陽(yáng)物理和空間物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，最大的愿望就是能把太陽(yáng)360度無(wú)死角看個(gè)清楚，好更多了解給予我們光和熱的這顆恒星。

近日，在美國(guó)卡納維拉爾角，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的阿特拉斯五號(hào)火箭把一位新的太陽(yáng)“攝影師”送上了一條前輩沒(méi)有走過(guò)的路。她不但可清晰地看到太陽(yáng)的南北兩極，還能利用手中的十八般兵器，把太陽(yáng)的周身看個(gè)清清楚楚。她的名字叫太陽(yáng)軌道飛行器(Solar Orbiter，SO)。

SO是歐洲航天局和美國(guó)國(guó)家航空航天局聯(lián)合研制的太陽(yáng)探測(cè)器，承擔(dān)了繼帕克太陽(yáng)探測(cè)器后，人類(lèi)對(duì)內(nèi)層太陽(yáng)系的又一次探測(cè)任務(wù)。

對(duì)太陽(yáng)兩極作完整可靠的觀測(cè)

如果我們能把視角從地球擴(kuò)展到整個(gè)太陽(yáng)系，將會(huì)看到包括地球在內(nèi)的所有行星都集中在太陽(yáng)赤道附近的平面——黃道面上。此前，受航天技術(shù)的限制，從地球上發(fā)射的航天器，即便掙脫地心引力的束縛，大部分也只能在地球公轉(zhuǎn)軌道面附近運(yùn)行。因此，此前服役的一些太陽(yáng)探測(cè)器，只能提供地球公轉(zhuǎn)面附近的觀測(cè)視角，無(wú)法準(zhǔn)確看到太陽(yáng)極區(qū)的情況。而設(shè)置在地面上的各類(lèi)太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡更是如此。

中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)太陽(yáng)活動(dòng)及日冕物質(zhì)噴發(fā)理論研究組首席研究員林雋告訴科技日?qǐng)?bào)記者，首先，太陽(yáng)是一個(gè)整體，兩極區(qū)域和其他區(qū)域都是太陽(yáng)上相互關(guān)聯(lián)、相互影響的部分。因此想要全面研究太陽(yáng)、了解太陽(yáng)，哪個(gè)部分都不能少。以前沒(méi)有相關(guān)研究或者說(shuō)研究得太少，是因?yàn)闆](méi)有獲得過(guò)關(guān)于太陽(yáng)兩極完整可靠的觀測(cè)資料。

其次，我們看到的、能夠影響地球及周邊環(huán)境的太陽(yáng)活動(dòng)與包括太陽(yáng)耀斑在內(nèi)的太陽(yáng)爆發(fā)，都源于太陽(yáng)大氣中磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化、磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化和釋放。太陽(yáng)大氣中的磁場(chǎng)先在太陽(yáng)內(nèi)部產(chǎn)生，在太陽(yáng)兩極區(qū)域上浮到太陽(yáng)大氣當(dāng)中，然后跟著太陽(yáng)內(nèi)部的物質(zhì)流動(dòng)慢慢地向赤道區(qū)域漂移。在漂移的過(guò)程中，這些磁場(chǎng)自身會(huì)發(fā)生變化，并與周?chē)渌拇艌?chǎng)相互作用而發(fā)生能量的轉(zhuǎn)化、釋放，驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)耀斑等爆發(fā)現(xiàn)象產(chǎn)生。

太陽(yáng)風(fēng)是從太陽(yáng)表面吹出來(lái)的高速等離子體流，或者說(shuō)是高速帶電粒子流，它們?cè)诖艌?chǎng)的引導(dǎo)下向外運(yùn)動(dòng)。如果人類(lèi)不飛出地球公轉(zhuǎn)軌道所在的平面，這些關(guān)于太陽(yáng)風(fēng)的三維結(jié)構(gòu)認(rèn)知都是無(wú)法得到的。“磁場(chǎng)如何從太陽(yáng)內(nèi)部進(jìn)入太陽(yáng)大氣?進(jìn)入太陽(yáng)大氣之后如何演化、如何延伸?了解這些對(duì)研究太陽(yáng)風(fēng)的走向和運(yùn)動(dòng)特性至關(guān)重要。這也是人們?yōu)槭裁匆訌?qiáng)對(duì)太陽(yáng)兩極的觀測(cè)和研究。”林雋說(shuō)。

借力“蕩出”太陽(yáng)公轉(zhuǎn)黃道面

地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道所在平面與太陽(yáng)的赤道所在平面大致重合，因此在地球附近或在地球公轉(zhuǎn)軌道面上觀測(cè)太陽(yáng)的話，只能夠觀測(cè)到太陽(yáng)赤道附近的磁場(chǎng)和活動(dòng)現(xiàn)象，靠近極區(qū)或者在極區(qū)當(dāng)中的情形就難以得知。

“太陽(yáng)軌道飛行器將逐步飛出黃道面，我們將首次看到太陽(yáng)兩極。”參與此次任務(wù)的荷蘭諾德維克歐洲空間研究與技術(shù)中心的太陽(yáng)物理學(xué)家丹尼爾·穆勒說(shuō)。通過(guò)飛越太陽(yáng)兩極，我們可以觀測(cè)太陽(yáng)兩極的磁場(chǎng)和周?chē)入x子體的物理特性和化學(xué)組成。

“發(fā)射能夠繞著太陽(yáng)兩極飛行的飛船，使其軌道面盡可能垂直于地球公轉(zhuǎn)的軌道面，這要耗費(fèi)非常巨大的能量，或者說(shuō)需要非常強(qiáng)大的火箭并耗費(fèi)非常多的燃料，技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都不合算。”林雋認(rèn)為，經(jīng)濟(jì)合理的辦法，就是先將飛船發(fā)射到地球公轉(zhuǎn)的軌道上，在這個(gè)軌道平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)到其他行星附近，利用其他行星的引力，實(shí)現(xiàn)飛船的加速或減速，然后在合適的時(shí)機(jī)，啟動(dòng)飛船上的推進(jìn)器，改變飛船的運(yùn)動(dòng)軌跡并飛離這顆行星。“這個(gè)過(guò)程叫行星借力。通過(guò)行星借力，一來(lái)可以提高或降低飛船的速度，二來(lái)可以改變飛船的運(yùn)動(dòng)軌道，比如將原來(lái)在黃道面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的飛船推到垂直于黃道面的軌道上。”林雋打了個(gè)比方，利用行星借力改變飛船軌道，有點(diǎn)像高速運(yùn)動(dòng)的汽車(chē)發(fā)生側(cè)滑時(shí)的情況。一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的物體，即使受到很小的側(cè)面推力，運(yùn)動(dòng)軌跡馬上就會(huì)發(fā)生顯著的變化。借助金星和地球的引力，SO在飛行中與金星形成軌道共振關(guān)系，定期相遇。每相遇一次，就能借助金星的引力拉近與太陽(yáng)的距離，同時(shí)逐漸偏離地球公轉(zhuǎn)軌道面。

據(jù)悉，在最初4年的基本任務(wù)階段，SO運(yùn)行軌道相對(duì)太陽(yáng)赤道面的軌道傾角，可以達(dá)到17度，能夠更清楚地觀察到太陽(yáng)極區(qū)。在后續(xù)的擴(kuò)展任務(wù)階段，其軌道傾角可以達(dá)到33度，對(duì)太陽(yáng)極區(qū)的觀測(cè)質(zhì)量將會(huì)進(jìn)一步提高。

SO能干的事還有很多

過(guò)去唯一去過(guò)太陽(yáng)兩極的航天器是1990年發(fā)射的尤利西斯探測(cè)器。在2009年退役前它繞著太陽(yáng)飛行了3圈，探測(cè)太陽(yáng)極區(qū)太陽(yáng)風(fēng)和高能粒子，獲得了非常豐富的資料，更新了人們關(guān)于太陽(yáng)風(fēng)的很多知識(shí)，但它攜帶的照相機(jī)沒(méi)能正常工作，因此沒(méi)有獲得太陽(yáng)極區(qū)的照片，也沒(méi)有能夠了解那個(gè)區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)、等離子體的空間結(jié)構(gòu)和演化特征。

此次SO的軌道距離太陽(yáng)最近時(shí)約為地日平均距離的0.28倍，最遠(yuǎn)則與地日距離相仿。“此前，沒(méi)有人能夠在如此近的距離拍攝太陽(yáng)極區(qū)圖像。”負(fù)責(zé)管理磁強(qiáng)計(jì)儀器的英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院海倫·奧布賴(lài)恩說(shuō)：“我們應(yīng)該能夠看到一些美麗的畫(huà)面。”

除了類(lèi)似于望遠(yuǎn)鏡的可以直接看太陽(yáng)的遙感觀測(cè)儀器外，SO還配備了4臺(tái)局地探測(cè)儀器，用以“感受”所在位置的磁場(chǎng)和等離子體參數(shù)。芬蘭赫爾辛基大學(xué)的科學(xué)家艾米莉亞·基爾普亞博士說(shuō)：“太陽(yáng)軌道飛行器的一大優(yōu)點(diǎn)，是它的探測(cè)范圍將覆蓋很多不同的距離，因此當(dāng)日冕物質(zhì)從太陽(yáng)發(fā)射到地球時(shí)，我們可以真正地捕捉到這些日冕物質(zhì)拋射。”這可以讓科學(xué)家們了解到太陽(yáng)風(fēng)和日冕物質(zhì)拋射從太陽(yáng)到地球的旅程中到底發(fā)生了哪些變化;對(duì)準(zhǔn)確進(jìn)行空間天氣預(yù)報(bào)很重要，可給人們帶來(lái)最及時(shí)的預(yù)警。

2018年8月發(fā)射的帕克太陽(yáng)探測(cè)器，雖然遙感觀測(cè)儀器沒(méi)有SO豐富，軌道也基本處在地球公轉(zhuǎn)面以?xún)?nèi)，但它與太陽(yáng)的最小距離比SO更小，能夠探測(cè)到日冕加熱和太陽(yáng)風(fēng)加速最原始的過(guò)程;而SO豐富的遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)和不同日心距離的局地探測(cè)數(shù)據(jù)，則可以為揭開(kāi)帕克探測(cè)器數(shù)據(jù)背后的秘密提供豐富線索。

“SO獲得的觀測(cè)資料，還將幫助我們回答當(dāng)代太陽(yáng)物理研究的一系列核心問(wèn)題。”林雋說(shuō)，對(duì)太陽(yáng)風(fēng)的觀察，或可幫助我們認(rèn)識(shí)太陽(yáng)風(fēng)的驅(qū)動(dòng)源是什么，日冕磁場(chǎng)源于何處，太陽(yáng)上磁場(chǎng)再生過(guò)程是如何工作的，又是如何制約太陽(yáng)同整個(gè)太陽(yáng)系空間之間的聯(lián)系;在太陽(yáng)爆發(fā)與周?chē)?yáng)風(fēng)的相互作用方面，可以幫助人們進(jìn)一步摸清太陽(yáng)瞬變現(xiàn)象或爆發(fā)如何影響包括地球周?chē)h(huán)境在內(nèi)的太陽(yáng)周?chē)行请H環(huán)境變化;在太陽(yáng)高能粒子的來(lái)源、加速和傳播過(guò)程方面，可揭示太陽(yáng)爆發(fā)是如何產(chǎn)生充滿(mǎn)整個(gè)太陽(yáng)系空間的高能粒子輻射，太陽(yáng)爆發(fā)驅(qū)動(dòng)的激波可以將帶電粒子加速到接近光速的能量，而這些高能粒子是如何進(jìn)入、并充滿(mǎn)行星際空間等一系列重大科學(xué)問(wèn)題。(記者 趙漢斌 通訊員 陳 艷)