太阳

从NASA的费米太空望远镜拍摄的时间序列中可以看到，伽马射线下的月球发出明亮的光芒。每张5×5度的图像以月球为中心，显示了能量超过3100万电子伏的伽马射线，是可见光的几千万倍。在这些能量下，月球实际上比太阳还要亮。较亮的颜色表示伽马射线的数量较多。该动画显示了在从2个月到128个月（10.7年）的较长曝光时间下，成像得到了怎样的改善。 版权：NASA/美国国防部（DOE）/Fermi LAT Collaboration 如果我们的眼睛能看到被称作伽马射线的高能辐射，就会发现月球就比太阳更亮！美国国家航空航天局（NASA）的费米伽马射线太空望远镜（Fermi Gamma-ray Space Telescope）在过去的十年里就是通过这种方式来对我们的邻居-月球进行观测的。 由于伽马射线的观测不够灵敏，无法清楚地看到月球的形状或任何表面特征。相反，费米的大面积望远镜（LargeArea Telescope，LAT）探测到一个以月球在天空中的位置为中心的耀眼辉光。 位于巴里的意大利国家核物理研究所（National Institute of Nuclear Physics）的马里奥·尼古拉·马齐奥塔（Mario Nicola Mazziotta）和弗朗西斯科·洛帕科（Francesco Loparco）一直在对月球的伽马射线进行分析研究，以更好地理解来自太空的另一种辐射：被称作宇宙射线的快速移动粒子流。 Mazziotta解释道：“宇宙射线主要是由宇宙中一些最具能量的现象得到加速的质子，比如恒星爆炸时产生的冲击波和物质落入黑洞时产生的喷流。” 由于这些粒子是带电的，它们会受到磁场的强烈作用。月球上缺少磁场，因此，即使低能宇宙射线也能到达月球表面，使月球变成一个便利的太空粒子探测器。当宇宙射线撞击月球时，它们与覆盖月球表面的粗糙细小尘埃（称为风化层）相互作用，发射出伽马射线。月球本身会吸收大部分伽马射线，但其中一部分会逃逸至太空中。 [rml_read_more] Mazziotta和Loparco对Fermi太空望远镜的LAT月球观测结果进行了分析，以表明在任务执行期间，望远镜的视野是如何改善的。他们收集了能量超过3100万电子伏特的伽马射线（比可见光的能量大1000多万倍）的数据，并把这些数据按照时间的推移整理好，展示了长时间的曝光是如何改善望远镜成像的。 Loparco表示：“从这些能量来看，月球永远不会经历可见光下那样的每月盈亏周期变化，并且会看起来总是满月。” 这些图像显示，NASA的Fermi伽马射线太空望远镜拍摄到的月球伽马射线辉光成像图正在稳步改善。每张5×5度的图像以月球为中心，显示能量超过3100万电子伏特的伽马射线，是可见光的几千万倍。在这些能量下，月球实际上比太阳还要亮。较亮的颜色表示伽马射线的数量较多。该图像序列显示了从两个月到128个月（10.7年）较长时间的曝光，是如何改善望远镜成像的。 版权：NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration 随着NASA通过阿尔特弥斯计划（Artemis）将目标设定为于2024年前将人类送上月球，最终实现将宇航员送上火星的目标，了解月球环境的各个方面具有了新的重要意义。这些伽马射线观测提醒我们，宇航员在月球上需要保护自己不受产生这种高能伽马射线的宇宙射线的伤害。 虽然月球发出的伽马射线令人惊讶且印象深刻，但太阳发出的能量超过10亿电子伏特的伽马射线的确更加明亮。由于太阳强大磁场的屏蔽作用，能量较低的宇宙射线无法到达太阳。但是更多的高能宇宙射线可以穿透该磁屏蔽层，撞击太阳密度较大的大气层，产生可以到达Fermi太空望远镜的伽马射线。 虽然伽马射线下的月球没有显示出每月的相位循环，但其亮度确实会随着时间而变化。Fermi太空望远镜的LAT数据显示，在太阳11年的活动周期中，月球的亮度变化约20%。这期间太阳磁场强度的变化会改变宇宙射线到达月球的速度，从而改变伽马射线的产生。 来源： https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/moon-glows-brighter-than-sun-in-images-from-nasas-fermi

这幅艺术渲染图描绘了来自太阳的物质和粒子源源不断地流向太阳系之外。在2019年6月20日，NASA挑选出了两个新的任务来研究这种太阳风的起源和对地球的影响，这两个新任务分别是：统一日冕和日光层偏光计（PUNCH）任务，以及串联重联和尖点电动力学勘测卫星（TRACERS）。这两项任务将共同为NASA的宗旨提供支持，保护宇航员和研究技术在太空之中免受这种辐射的负面影响。 版权：NASA 美国航空航天局（NASA）已经挑选出了两项新任务，让我们对太阳及其对太空的动态影响有一个更深层次的理解。其中一个任务将研究太阳是如何驱动粒子和能量进入到太阳系之中的；第二个将研究这些粒子和能量给地球带来的影响。 太阳无时无刻不在产生大量喷涌的太阳粒子，一般以超声速等离子体带电粒子流的形式喷射进入太阳系，被称为太阳风（solar wind）；这些高能粒子会在太空中形成一个动态的辐射系统，称为空间天气（space weather）。当这些粒子抵达地球附近时，它们就会与我们地球的磁场相互作用，这一空间天气系统则可能会对人类的利益产生深远的影响，例如宇航员的安全、无线电通信、GPS信号以及地面上的公用电网。如果我们能了解更多驱动太空天气及其与地球-月球系统相互作用的因素，我们就能在更大程度上减轻它的影响，包括保障宇航员的安全，以及保护与NASA的阿尔忒弥斯月球计划（Acceleration, Reconnection, Turbulence and Electrodynamics of the Moon’s Interaction with the Sun，Artemis）相关的至关重要的技术。 “我们精心挑选了这两个任务，不仅仅是因为它们本身可执行的科学研究级别较高，更是因为这两项任务将与其他太阳物理学航天器良好地协同合作，共同推进NASA的重要使命，即给宇航员、太空技术和存活在地球上的所有生命提控安全保障。”位于华盛顿NASA总部的科学任务理事会（Science Mission Directorate）副主任托马斯•齐布亨（Thomas Zurbuchen）说道，“这些任务将进行大科学（big science）研究，但它们也因装载体积较小而非常特殊，小体积意味着我们可以将它们捆绑发射，让单次的火箭发射价格可以进行更多的研究。” PUNCH 统一日冕和日球层偏光计（Polarimeter to Unify the Corona and Heliosphere，PUNCH）任务将直接研究太阳的外部大气层、日冕（corona）以及太阳风是如何产生的。PUNCH由四个手提箱大小的卫星组成，可以在太阳风离开太阳时对其进行成像和跟踪。该航天任务还将追踪日冕物质抛射（coronal mass ejection，CME），让我们更好地了解它们的演化，并开发出预测此类物质爆发的新技术。CME是一种大规模的太阳物质喷发，可以驱动地球附近的大型空间天气事件。 在NASA三个观测站的共同努力下，科学家在2012年7月跟踪到了大规模日冕物质抛射（CME）。 版权：NASA/SDO/STEREO/ESA/SOHO/Wiessinger 这些观测将加强NASA其他任务中的国家性质和国际性质研究，如帕克太阳探测器（Parker Solar Probe），以及即将于2020年发射的欧洲空间局（European Space Agency，ESA）/ NASA太阳轨道飞行器（Solar Orbiter）。通过阻挡来自太阳的明亮光线、检测极为微弱的大气环境，这些任务将会触及太阳大气中的相关结构，而PUNCH将能够对这些结构进行实时成像。 我们的生活所依赖的这颗恒星，究竟是如何驱动辐射涌进太空的呢？上述的这些任务将共同探讨这个问题。PUNCH任务由科罗拉多州博尔德市西南研究所（Southwest Research institute）的克雷格•迪弗利斯（Craig DeForest）主导进行；包括发射成本在内，PUNCH的任务资金不超过1.65亿美元。 TRACERS 另一项任务是串联重联和尖点电动力学勘测卫星（Tandem Reconnection and Cusp Electrodynamics Reconnaissance Satellites，TRACERS）。TRACERS调查被部分选为由NASA发射的搭乘任务（rideshare mission），这意味着它将作为PUNCH的二级有效载荷来发射。NASA的科学任务理事会正在强调二级有效载荷任务的重要意义，以便用较低的发射成本获取更大的科学研究回报。TRACERS将观测地球北部磁层极尖区（magnetic cusp region）的粒子和磁场，磁层极尖区指的是环绕地球极点的区域，我们星球上的磁场线在该区域会弯向地球。在这里，磁场线会将粒子由地球磁场和行星际空间（interplanetary space）之间的边界向下引导到地球大气中。 在磁层极尖区，TRACERS可以轻松抵达我们与行星际空间的边界，研究地球周围的磁场与太阳的磁场是如何相互作用的。在一种被称为磁重联（magnetic reconnection）的过程中，磁场线会爆炸性地重新配置，以接近光速的速度向星球之外发射粒子。这些粒子中的其中一部分将会受到地球重力的作用，进入到能被TRACERS观测到的区域。 这段可视化视频显示了磁重联区域的倾斜视图。青色的线条表示磁场方向；颜色轨迹表示在场中移动的电子；粒子轨迹的颜色表示粒子的无量纲速度，蓝色表示慢速，红色表示快速。 版权：NASA 磁重联驱动着整个宇宙活跃的事件，包括太阳上的日冕物质抛射和太阳耀斑（solar flare）。磁重联还会导致来自太阳风的粒子进入近地空间，从而驱动近地空间产生空间天气。TRACERS将是第一个利用两个航天器在磁层极尖区探索这一过程的太空探索任务，观测磁重联在空间和时间上的变化；在磁层极尖区这一有利位置上，TRACERS还能够同时观察整个近地空间的磁重联。因此，TRACERS可以为NASA的磁层多尺度任务（Magnetospheric Multiscale mission，MMS）提供重要的背景资料。磁层多尺度任务是由4个相同航天器组成的探测系统，分析研究磁重联现象，并对磁层边界区域进行三维测量，在单次磁重联事件中收集详细的高速观测资料，旨在验证当前主流理论：磁场是如何重新连接的，以及连接的过程是怎样的。 TRACERS独特的测量将有助于NASA保护我们在太空中的技术和宇航员安全，该任务由爱荷华州爱荷华大学（University of Iowa）的克雷格•克莱辛（Craig Kletzing）主导执行。不包括“搭乘”费用，TRACERS的任务资金不超过1.15亿美元。 这两个任务的发布日期将不晚于2022年8月，两个项目都将由NASA位于马里兰州格林贝尔特市戈达德航天飞行中心（Goddard Space Flight Center）的探索者项目办公室（Explorers Program Office）管理。探索者计划（Explorers Program）是NASA历史最为悠久的持续性计划，旨在为NASA科学任务理事会天体物理学和太阳物理学相关主要研究者主导的空间科学研究，提供高频次、低成本的太空访问。该计划由戈达德航天飞行中心为科学任务理事会管理，科学任务理事会为地球研究、空间天气、太阳系和宇宙进行各种研究和科学探索计划。 参考： [1]https://www.nasa.gov/press-release/nasa-selects-missions-to-study-our-sun-its-effects-on-space-weather [2]https://svs.gsfc.nasa.gov/11558 [3]https://svs.gsfc.nasa.gov/4568

概要： 太阳在最初10亿年的自转速度是未知的。 然而，这种自转速度影响了太阳爆发，从而影响生命的进化。 美国国家航空航天局（NASA）的一组科学家认为，他们已经通过月球作为关键证据，弄明白了这其中的奥秘。 NASA的太阳动力学观测站（SDO）于2014年10月2日，拍摄到了这张太阳耀斑的照片。图片中，太阳右半部分发出的明亮闪光即太阳耀斑。在它的正下方可以看到一股太阳物质爆发到太空中。 版权：NASA/ SDO 太阳是我们（人类）在此存在的原因，同样也是为什么没有火星人或金星人存在的原因。 40亿年前，当太阳还是一个“婴儿”的时候，经历了剧烈的强辐射爆发，大量高能粒子喷发，被抛入太空散落至整个太阳系中。这些太阳演化期间的爆发事件引发了地球上的化学反应，使地球保持温暖和湿润，从而为早期地球播下了生命的种子。然而，这些剧烈的太阳活动也可能通过剥夺其大气层和吞噬其营养物质，阻止了其他星球上生命的出现。 这些原始爆发对其他星球的破坏程度将取决于太阳早期的的自转速度。太阳自转速度越快，破坏星球宜居性的速度越快。 然而，位于马里兰州格林贝尔特市的NASA戈达德太空飞行中心的天体物理学家Prabal Saxena表示，太阳历史中的这一关键阶段一直在困扰着科学家们。Saxena主要研究太空天气、太阳活动的变化以及太空中其他辐射条件与行星和卫星表面的相互作用。 现在，他和其他科学家正在致力于将NASA于2024年之前把宇航员送到月球的计划变成现实。月球上蕴藏着太阳古老的秘密，这对理解生命的形成至关重要。 Saxena说：“我们不知道太阳在最初10亿年的样子，这极其重要，因为它很可能改变了金星大气的演化方式及其水分流失的速度。除此之外，也可能改变了火星大气流失的速度，并改变了地球的大气化学成分。” 太阳和月亮之间的联系 横幅图片：通过NASA太阳动力学观测站拍摄的太阳图片而制作的gif动图。该观测站每周7天24小时全天候对太阳进行。该图显示的是太阳在极强的紫外线(171埃)下的景象。 版权：NASA Saxena陷入了调查早期太阳自转的谜团，同时沉思着一个看似无关的问题：为什么月球的构成物质和地球的构成物质基本相同，月球风化层和土壤中钾和钠含量却明显低于地球土壤？ 通过对阿波罗时代从月球带回的样本以及在地球上发现的月球陨石进行分析，科学家们也发现了这个问题。该疑问困扰了科学家们几十年，也对关于月球形成的主要理论带来了挑战。 这是一张关于阿波罗16号采回的月球样本（编号68815）的特写镜头。该样本是一块从约四英尺高、五英尺长的母岩上脱落下来的碎片。 版权：NASA / 约翰逊航天中心 (Johnson Space Center , JSC) [rml_read_more] 理论上，我们的天然卫星是在大约45亿年前，一个火星大小的天体撞击地球时形成的。巨大的撞击力量使大量物质喷涌到地球轨道上，这些撞击碎片逐渐聚在一起形成，形成了月球。 NASA戈达德太空飞行中心的行星科学家罗斯玛丽•基伦（Rosemary Killen）说：“地球和月球可能是由相似的物质构成的，因此问题在于，为什么月球会将这些元素耗尽？” Saxena和Killen这两位科学家怀疑，其中一个大疑问对另一个疑问带来了启发 – 即太阳的历史埋藏于月球的地壳里。 Killen此前的研究为该小组的调查奠定了基础。2012年，她协助模拟了太阳活动对钠、钾元素含量的影响。这些元素要么被运送至月球表面，要么被从太阳射出的带电粒子流（即大家熟知的太阳风）从太阳上抛出，或者通过强烈的喷发（被称为日冕物质抛射）的方式被从太阳抛射出来。 Saxena将恒星自转速度与其耀斑活动之间的数学关系纳入其中。这个想法来自于此前科学家们的发现。根据NASA开普勒太空望远镜观测的数千颗恒星的活动规律，科学家发现：恒星旋转得越快，其耀斑喷射就越猛烈。Saxena说：“当你了解其他恒星和行星时，尤其是像太阳这样的恒星，你就会开始对太阳是如何随着时间不断演化，有一个更全局性的了解。” Saxena, Killen和同事们均认为，通过使用复杂的计算机模型，或许可以最终解开这两个谜题。他们在5月3日出版的《天体物理学杂志通讯》(The Astrophysical Journal Letters）上发布了他们的计算机模拟结果。根据模拟结果显示，早期的太阳自转速度慢于50%的新生恒星。根据他们的估计，在最初的10亿年里，太阳至少需要9到10天才能完成一次自转。 他们通过模拟在不同的恒星旋转速度（慢速，中速和快速）下，太阳系的演化情况来确定这一点。他们发现，只有在一种情况中，即以慢速进行旋转的恒星，才能够向月球表面喷射适量的带电粒子，并随着时间的推移，将足够的钠和钾元素喷入太空中，留下我们如今在月球岩石中发现的钠、钾元素含量。 Saxena说：“太空天气可能是影响太阳系所有行星进化的主要因素之一，因此任何关于行星宜居性的研究都需要将该因素纳入考虑。” 阳光下的生命 早期太阳的自转速度是地球上生命存在的部分原因。但对于金星和火星，这两颗与地球相似的固态行星，却可能恰恰防止了星球上生命的出现。（水星，这颗离太阳最近的固态行星，从来没有孕育生命的机会。) 地球的大气层曾经与如今由氮气和氧气为主要成分的大气层截然不同。46亿年前，地球形成时，地球表面包裹着一层薄薄的气体，主要成分是氢和氦。但是由于“青年时期”的太阳爆发活动，这层薄雾在2亿年间被驱散了。 随着地球地壳的凝固，火山逐渐喷发产生了新的大气层，空气中充满二氧化碳、水和氮气。在接下来的10亿年里，最早的细菌生命体消耗二氧化碳，同时，向大气中释放甲烷和氧气。地球也逐渐形成了磁场，这有助于保护它免受太阳的辐射，使大气转变成如今富含氧和氮的空气，可供我们呼吸。 NASA戈达德太空飞行中心的资深日光物理学家和天体生物学家罗弗拉基米尔•埃拉佩提安（Vladimir Airapetian）说：“我们很幸运，地球的大气层挺过了那段可怕的时期。”Airapetian主要研究太空天气如何影响类地行星的宜居性，他与Saxena和Killen一起进行了早期的太阳研究。 关于早期地球的一种艺术构思，表现地表受到巨大冲击，导致深层岩浆挤压到地表。 版权：西蒙•马奇（Simone Marchi） 如果太阳是一个快速旋转体，它会爆发出比任何历史记录都强烈10倍的超级耀斑，而且每天至少爆发10次。即使是地球磁场，也不足以保护地球免受其害。太阳爆发会破坏大气，降低大气压力，直到地球无法保留液态水。Saxena说：“当时的环境可能要比想象的恶劣得多。” 但是太阳以对地球而言比较理想的速度旋转，使地球在早期的恒星下蓬勃发展。金星和火星就没那么幸运了。金星曾经被海水覆盖，有宜居的可能性。但是由于许多因素，包括太阳活动和行星缺乏内部产生的磁场，金星失去了氢，而氢正是水的一个关键组成成分。其结果是，金星上的海洋在最初的6亿年里（根据估算）就蒸发了。金星大气层由于二氧化碳变得愈发厚重，二氧化碳一种更难被吹走的重分子。这些影响导致了发展迅猛的温室效应，使金星保持在炙热的864华氏度（462摄氏度），这对生命来说实在是过于炎热。 火星，由于比地球更加远离太阳，看上去似乎会更加安全，不会受到恒星爆发的影响。然而，它比地球受到的保护其实还要少。部分原因是由于这颗红色行星的弱磁场和低重力，使得早期的太阳能够逐渐吹走火星上的空气和水分。大约37亿年前，火星的大气层变得非常稀薄，液态水很快就被蒸发到太空中。(火星仍然存在水，被冻结在极地冰盖和土壤中。) 在影响了内行星上的生命进程(或缺乏生命)之后，衰老的太阳逐渐放慢了脚步，并持续放慢旋转速度。如今，太阳每27天自转一周，比刚诞生时慢了三倍。较慢的自转速度使太阳变得不那么活跃，尽管偶尔仍有猛烈的爆发。 探索月球，见证太阳系的演化 Saxena表示，要了解早期的太阳，只需要看看月球，它是年轻太阳系中保存最完好的文物之一。 他说：“月球终将成为一个非常有用的太阳系历史校准器以及了解过去的窗口，原因在于，它没有恼人的大气层，也没有板块构造重新浮出地壳。因此，你可以说，’嘿，如果太阳粒子或其他什么东西击中了月球，月球的土壤应该能留下证据证。’” 利用NASA月球勘测轨道飞行器拍摄的图像，对月球永久阴影区（Permanently Shadowed Regions）或称为PSRs，进行可视化。PSRs是月球上数百万年甚至数十亿年间都没有太阳光照射的区域。虽然地球的地轴倾斜度使阳光落能够在地球表面的任何地方，即使是在两极，至少在一年的部分时间里也能受到阳光照射；月球的倾斜度却非常小，只有1.6度，不足以让阳光照射进入月球南北两极附近的一些深坑。因此PSRs是太阳系中最冷、最黑暗的地方之一。 版权：NASA Goddard/厄尼•赖特（Ernie Wright） 阿波罗号带回的月球样本和地球上发现的月球陨石是探索早期太阳系的一个很好的起点，但它们只是一个巨大而神秘的谜团中的冰山一角。这些月球样本来自月球赤道附近的一小块区域，科学家们无法完全确定这些陨石到底来自月球的哪个地方，因此很难将它们置于具体的地质环境中进行分析。 由于月球南极是永久阴影环形山的家园，我们希望能够在那里找到月球上保存最完好的物质，包括冰冻的水，NASA计划在2024年之前向该区域派遣一支人类探险队。 如果宇航员能够从月球最南端区域采集到月球土壤样本，将提供更多关于早期太阳自转速度的物理证据。Airapetian怀疑40亿年前，太阳粒子会被月球昔日的磁场偏转，沉积在两极。他说：“所以你会期待，尽管我们从未实际看见过月球曾经暴露在年轻太阳下的那一部分区域，该区域的化学性质将比赤道区域发生更大程度的变化。关于此，将有许多科学研究待开展。” 来源： https://www.nasa.gov/goddard/2019/feature/nasa-scientists-find-sun-s-history-buried-in-moon-s-crust