新任务将首次观测太阳的两极

一艘新的宇宙飞船正在飞往太阳,拍摄太阳南北两极的首批照片。

由欧洲航天局与NASA合作的太阳轨道飞行器(Solar Orbiter)将于美国东部时间2020年2月7日下午11:15从卡纳维拉尔角发射升空。该航天器将利用金星和地球的引力使自己脱离黄道平面——这一区域大致与太阳的赤道平行,所有行星都围绕该区域运行。

“在太阳轨道飞行器之前,所有的太阳成像仪器都在黄道平面内或非常接近黄道平面,”华盛顿特区海军研究实验室的空间科学家罗素·霍华德说,他是太阳轨道飞行器十种仪器之一的首席研究员。“现在,我们可以从上面俯瞰太阳了。”

太阳轨道飞行器高度倾斜轨道的一部分的动画。
来源: ESA/ATG medialab

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“这将是一个未知的世界。”荷兰欧洲空间研究与技术中心(European Space Research and Technology Centre)负责此次任务的欧洲航天局(ESA)项目科学家丹尼尔·穆勒说。“这是真正的探索科学。”

太阳在塑造我们周围的空间中起着核心作用。它巨大的磁场延伸到冥王星之外很远的地方,为被称为太阳风的带电太阳粒子铺设了一条高速公路。当爆发的太阳风袭击地球时,它们会引发太空风暴,干扰我们的GPS和通信卫星——在最坏的情况下,它们甚至会威胁到宇航员。

模拟太阳风暴爆发撞击地球磁场。
来源:NASA’s Goddard Space Flight Center/Scientific Visualization Studio/Community-Coordinated Modeling Center

为了应对即将到来的太阳风暴,科学家们监测太阳磁场。他们的技术以平视视角工作得最好;视角越陡,数据越嘈杂。我们从黄道平面上瞥见太阳两极,这在数据上留下了很大的空白。

“两极对于我们进行精确建模尤为重要。”NASA戈达德太空飞行中心的项目科学家霍利·吉尔伯特说。“为了预测太空天气事件,我们需要一个相当精确的太阳全局磁场模型。”

太阳的两极可能也解释了已有数百年历史的观测结果。1843年,德国天文学家塞缪尔·海因里希·施瓦贝发现,太阳黑子的数量——太阳表面标记着强磁场的黑色斑点——以一种重复的模式盈亏。今天,我们知道它是一个大约11年的太阳周期,在这个周期中,太阳在太阳活动高峰期(太阳黑子激增,太阳活动活跃,活动剧烈)和太阳活动最低值(太阳黑子活动减少且较为平静时)之间转换。吉尔伯特说:“但是我们不明白为什么是11年,或者为什么有些太阳最大值比其他最大值更大。”观测两极磁场的变化可以提供答案。

此前唯一飞越太阳两极的航天器也是欧洲航天局和美国宇航局的联合项目。尤利西斯号宇宙飞船于1990年发射,在2009年退役前环绕我们的恒星飞行了三圈。但是尤利西斯号从未比地球距离太阳更近,它只携带了被称为“原位仪器”的东西——像触觉一样,它们可以立即测量宇宙飞船周围的太空环境。另一方面,太阳轨道飞行器将携带4个原位仪器和6个遥感成像仪从水星轨道内经过。负责此次任务的NASA副项目科学家特蕾莎·尼维斯-钦奇利亚说:“我们将能够绘制出我们用原位仪器‘接触’的东西和我们用遥感‘看到’的东西的地图。”

ESA/NASA太阳轨道飞行器任务概述。
资料来源:NASA’s Goddard Space Flight Center/Joy Ng

在飞行任务的七年寿命中,太阳轨道飞行器将达到太阳赤道上方24度的倾角,并通过延长三年的飞行任务使其增加到33度。在最接近太阳的时候,飞船将在离太阳2600万英里的范围内通过。

为了抵御高温,太阳轨道飞行器有一个定制设计的带有磷酸钙涂层的钛隔热板,它可以承受超过900华氏度的温度——是地球轨道上航天器所面临的太阳能加热的13倍。五种遥感仪器通过隔热罩中的窥视孔观测太阳;剩下的一个在隔热罩侧面观测太阳风。

继2018年8月发射帕克太阳探测器之后,太阳轨道飞行器将是美国宇航局近年来对太阳系内部的第二个主要任务。帕克已经完成了四次近距离的太阳通行,将以最接近的方式在距离太阳四百万英里的范围内飞行。

这两个航天器将协同工作:当帕克近距离采样太阳粒子时,太阳轨道飞行器将从更远的地方捕获图像,将观测结果进行关联。这两个航天器有时也会对齐以在不同时间测量相同的持长线或太阳风流。

尼维斯-钦奇利亚说:“我们从帕克那里学到了很多东西,把太阳能轨道飞行器加入其中只会带来更多的知识。”

太阳轨道飞行器是欧洲航天局和美国宇航局之间的国际合作任务。欧洲航天局在荷兰的欧洲空间研究和技术中心(ESTEC)负责发展工作。位于德国的欧洲空间操作中心(ESOC)将在发射后运行太阳能轨道飞行器。太阳能轨道飞行器由空客防务与航天公司建造,包含10个仪器:其中9个由欧空局成员国和欧空局提供。NASA提供了一个仪器套件SoloHI,并为其他三个仪器提供了探测器和硬件。

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

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