送你去太阳的北极过冬!想逃离太阳系,先过它这一关

太阳,自人类有了认知习性,开始耕耘自己美丽家园的时候,就开始关注它了,持续了几千年。太阳可以说是即熟悉又非常陌生。无论是中国神话故事里的夸父追日、后羿射日还是希腊传说中的伊卡洛斯用蜡做成翅膀飞向太阳而折翼坠海,还是记录日食推测凶吉、地日中心之争,还是利用太阳凸镜取火、太阳能发电飞行……太阳,这个为地球上的生命提供能量,在人类生命中扮演重要角色的恒星,还是有很多的谜团待解。特别是日冕的温度和太阳风,以及太阳的南北极奥秘,吸引了一批又一批的科学家去研究。

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举例,如果你将一只温度计伸到太阳表面,那么它表面的温度是大约6000℃,直觉认为当温度计离太阳表面越远时,温度应该越低,但事实却正好相反。太阳外部大气层——也即日冕的温度,有些地方竟然超过了100万℃。这一反常的现象意味着什么,科学家至今仍未找到合理的解释。而太阳风则是困扰科学家的第二个谜团,太阳向整个太阳系喷射出炽热的带电粒子风—也就是所谓的太阳风,它的时速可以达到每小时数百万英里。然而令人惊奇的是,在靠近太阳表面的地方,却并没有任何明显的强风存在,可当太阳风抵达太阳系行星时,却变成了真正的“狂风”,是地球风速的上万倍,科学家怀疑,在太阳和行星之间可能存在一些未知因素,从而让太阳风获得了如此高的加速度。太阳的南北极也是如此,还从未有探测器完整的连续的探测太阳-我们最近的恒星的南北极数据。

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近代航天探索的过程中,我们人类陆续向着太阳发射了几十种大大小小的探测器,来研究它、观测它、分析它、记录它。这其中包括ESA的proba- 2和soho探测器,NASA的SDO和STEREO探测器以及联合的NASA / ESA 尤利西斯、NASA和日本联合Hinode探测器,还有去年发射的“帕克”太阳探测器(Parker Solar Probe)等等。这些探测器自发射进入太阳观测区,就几乎一刻不停地注视着太阳,向地球以及宇宙中的其他探测器提供珍贵的资料。介绍其中的几种探测器:

SOHO(太阳日球观测仪)探测器:该探测器610公斤,太阳和地球的L1拉格朗日点上公转。SOHO卫星包括十二个主要的仪器,每一个都能够独立的观察太阳或者太阳的某个局部。 这些仪器包括:CDS (Coronal Diagnostic Spectrometer) 日冕诊断分光计等十二个监测太阳的仪器探测了太阳的内部结构、广阔的太阳大气层和太阳风,SOHO已经揭示了太阳大气层的自然状态,磁场和日冕之间的关系,并且在轨道上发现了1000余颗彗星。

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Proba-2卫星

Proba-2卫星重130千克,将试验自主太空任务的最新技术。它将验证17项先进卫星技术,例如用于欧空局未来太空探测器的微型传感器、广角达120°的先进CCD照相机。它还携带了四个一组的科学仪器观测太阳并研究所在轨道的等离子环境。

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"尤利西斯"号是人类成功发射的第一个黄道外太阳探测器。地球等太阳系行星和大部分探测器都是在位于太阳中部的黄道平面内运行,而"尤利西斯"号的运行轨道差不多和黄道平面垂直,这使科学家可以近距离观察太阳两极地区。该探测器重385千克,靠钚核反应堆提供工作能量,共装有九台科学仪器,其任务是探测太阳两极及其巨大的磁场、宇宙射线、 宇宙尘埃、γ射线、X射线、太阳风等。 探测器1994年8月飞抵太阳南极区域并绕太阳运转,横跨太阳赤道后到达太阳北极。它绕太阳飞行的轨道呈圆形, 离太阳最远时为8亿公里,最近时为1.93亿公里。尤利西斯号绕太阳飞行时,可以对太阳表面一览无余,能够全方位地观测太阳。

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“帕克太阳探测器”,是以太阳风科学的先驱、芝加哥大学名誉教授、天文学家尤金・帕克,帕克命名的航天器,是NASA第一次以健在人物命名的航天器。太阳探测器(SP)是第一个飞入太阳日冕的飞行器,仅仅位于太阳表面上方9个太阳半径处。离太阳最近的探测器,仅600万公里。可以形象的比喻一下,地月距离假设是一米的话,那么帕克距离太阳仅4厘米!!!帕克的仪器探测它们遇到的等离子体、磁场和波、高能粒子和尘埃。对太阳探测器轨道附近以及日冕底部的偶极结构的日冕结构成像。探测器发射重量646公斤,设有由碳复合材料制成的厚达11.4厘米的防热罩,可让探测器主体(太阳能帆板和少数科学传感器除外)在接近1400摄氏度的外部环境下把温度保持在略高于室温。2018年10月初,其首次飞掠金星,完成第一次“引力弹弓”,之后三次以几乎相同高度(大约2400万公里)飞过近日点。按计划,其将在2019年12月再次实施“引力弹弓”,四度掠日时的轨道高度相比前三次大约降低450万公里。据悉,“帕克号”最后一次掠日的轨道高度仅为600万公里左右。

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需要指出的是,除了尤利西斯(Ulysses)以外,这些航天器中的大多数都主要集中在太阳的赤道区域,而尤利西斯(Ulysses)探测器观察了20年来太阳最宽的纬度范围。

尽管尤利西斯(Ulysses)的探测非常有成效,但对低太阳纬度的关注使太阳的两极尚未得到100%的探测,缺乏直接的影像和图像数据资料。而缺乏这些影像数据,意味着科学家在研究太阳的极区的时候,需要将若干图片智慧的、有创造力的拼凑在一起。就像标题的那张太阳北极的人工合成图像。该图像推测太阳的低纬度Proba-2观测值,以重建太阳极点的视图。虽然无法直接看到两极,但是当航天器观察太阳大气时,他们会收集沿观测线的所有事物的物理数据,还观察到围绕太阳圆盘延伸的大气层等(围绕太阳主圆盘的明显辉光,越过两极)。科学家可以用它来推断极地地区的外观。为了估计两极上的太阳大气的特性,它们连续地对太阳的主体成像,并在太阳旋转时从太阳的外部和上部区域获取少量数据,以补偿太阳确实在不能在所有纬度上以恒定速度旋转。随着时间的推移,这些小的数据数组可以组合起来,以近似表示极点。在此图像中可以看到这种拼凑方法的迹象,其中包括来自Proba-2的极紫外SWAP成像器的数据。由于在创建此图像的时间范围内太阳大气发生了微小变化,因此形成了横跨中间的线。该图像还显示了太阳右上角的明亮凸起;这是由围绕太阳圆盘旋转的低纬度日冕孔产生的。日冕极孔区域可以看作是太阳圆盘中心的暗斑,是太阳快速风的来源。在这里可以看到它包含一个由明暗结构组成的微妙网络,这可能会导致太阳风速变化。

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尽管这样的观点有助于揭示太阳两极的秘密(例如,波如何在我们的恒星上传播,以及它如何产生诸如日冕孔及喷发现象等现象,这些现象继续影响地球的天气,但是直接观测是必需的,我们不能总停留在基于Ulysses收集的过去数据的推测中。于是,将在2020年发射的ESA的“太阳轨道器”就呼之欲出,旨在填补这一数据空白。该任务将在足以探索其极地的高纬度地区详细研究太阳,并揭示究竟其磁场和粒子发射如何影响宇宙环境的?因为这里毕竟是我们的空间,我们的家。


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