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走,去给太阳的两极拍照!
02-14 17:30:59 来源: 中国国家地理BOOK公众号

▲ Solar Orbiter的任务海报。图/ESA-S

福德正神彩票_[官网首页]下一个十年,太阳研究领域或将出现重大突破。

“三个多世纪前,天体物理学家们就发现这太阳内部氢转化为氦的速度突然加快,于是他们发射了上万个探测器穿过太阳,最终建立了这颗恒星完整精确的数学模型。”——《流浪地球》 

刘慈欣之所以能被称为科幻大师,一个重要的原因是他的作品在许多细节上都不会脱离现实。福德正神彩票_[官网首页]小说中的人类,需要发射上万个探测器,才能建立起太阳的数学模型。没错,在现实中,我们对于这颗咫尺之外的恒星,同样是知之甚少。

福德正神彩票_[官网首页]▲万物之源,太阳。图/NASA

从现有的恒星模型来看,太阳还很年轻,很稳定,还可以继续燃烧50亿年,我们无需担心小说中的“氦闪”会在现实中出现。但是,太阳对于人类的重要性无与伦比,从1959年前苏联发射月球1号起,我们就开始利用太空飞行器探索太阳。 

就在2月10号16点03分,美国东部时间凌晨5点03分,佛罗里达卡纳维拉尔角发射基地的黎明被阿特拉斯V型运载火箭喷出的巨大火焰所点亮,一颗名为Solar Orbiter(太阳轨道飞行器)的太阳探测器被成功发上太空,它承担着一个史无前例的任务——为太阳的两极拍照。

福德正神彩票_[官网首页]▲ 2月10日,阿特拉斯V型运载火箭搭载着Solar Orbiter飞上太空。图/ESA-S

为什么要去太阳两极?

太阳与地球一样,也有南北两个磁极,但与地球不同的是,大约每隔11年,太阳的南北磁极就会对调一次。在两极反转之前,太阳的活跃程度会达到峰值。

▲ 太阳的结构,到Convective Zone(对流层)为止是太阳本体,其上是太阳大气。太阳大气分为Photosphere(日光层,又叫光球层)、Chromosphere(色球层)和Corona(日冕)。图/Wikipedia

太阳活跃时,耀斑会大规模的出现。福德正神彩票_[官网首页]所谓耀斑,就是比周围的太阳大气温度更高更亮(耀眼)的区域,这代表着大量的能量爆发。

耀斑的寿命很短,长寿的也就是几十分钟,但是它狂暴得。在短时间内,它会向太空中喷射出大量的电磁辐射和粒子流,制造出被称为太阳风的太空风暴,最高时速可达到800千米,最远能够吹到220亿千米的地方,远远超出了冥王星的轨道。

▲ 太阳上出现的C-3级耀斑(在左上角的白色区域)。图/NASA

太阳耀斑共分为A、B、C、M、X五级,其中X级最大,A级最小。在平时,M级和X级的耀斑,一年都不会出现一次,但在磁场反转前,几乎每天都会有M级或X级的耀斑出现。

太阳风不仅会造成通信中断、导航失灵,严重时还会损坏航天器上的精密设备。太阳风能够加热地球的外层大气,增大轨道上的飞行器的阻力,导致轨道衰减。太阳风中所包含的大量高能质子,能穿透在外太空执行任务的宇航员的身体,造成生理上的伤害福德正神彩票_[官网首页]。

▲ 在地球磁场保护范围之外,已经运行了20年的太阳风探测器。图/NASA

 “我们不知道太阳的两极是什么样子,但我们知道它是太阳磁循环的关键。”欧洲航天局Solar Orbiter项目科学家丹尼尔·穆勒向公众如此解释此次探测的目的,“太阳轨道飞行器将会首次拍摄太阳极地,在此之前,人类从未拍摄过这个区域。” 

人类进入太空这么多年,为什么连一张太阳极地的照片都没有呢?这主要是因为我们站的位置不对。 包括地球之内的八大行星的轨道,都与太阳赤道位于同一平面之内,这个平面的名字叫黄道面。站在地球上观测太阳,就好像在赤道的上空观测地球两极,那是一点都看不见。

▲ 八大行星都在黄道面这个平面上运行。图/NASA

 从地球上发射出去的探测器,大部分也是在这个黄道面上运动。地球的公转,让探测器轻松获得了很高的与黄道面平行的速度,省时又省力,但是,想要再在垂直方向加速,就需要更多的能量,费时又费力。 在Solar Orbiter抵达太阳之前,人类唯一一个飞跃太阳南北两极的探测器,是1990年发射的以探索太阳和木星为目标的尤西里斯号,但是,它距离太阳有点远。它在最接近太阳南极点的时候,距离太阳还有27亿公里,而且它也并没有拍摄下太阳两极的照片。

▲ 尤西里斯号探测器飞跃太阳时的想象图。图/NASA

拍张照片,全副武装

想要把探测器发到黄道面的外面?那可不能单靠火箭的蛮力。Solar Orbiter这次是利用了地球和金星的引力弹弓效应,在一次次的环绕飞行中,将轨道逐渐“竖”起来的。

但是要近距离地拜访太阳,更重要的是能扛得住高温,耐得住辐射。

当Solar Orbiter抵达近日点时,它与太阳的距离仅有到4200万千米,这比水星轨道还要近。要知道,水星面向太阳一侧的表面温度可是常年超过400摄氏度。对于Solar Orbiter来说,它将要忍受的温度,将接近500摄氏度,这已经是相机工作温度的上限。

▲ 正在被太阳炙烤着的Solar Orbiter。图/ESA-S

为了保护探测器上的精密仪器不被热浪灼伤,在Solar Orbiter面向太阳的一面,覆盖着一层3米长、2.5米宽的,比飞行器还要大的特质“遮阳护甲”,以抵挡热浪的炙烤。

这层“护甲”的最外层,是一种由磷酸钙构成的、叫做“太阳黑(Solarblack)”的特殊物质,它能有效抵挡太阳喷发出的强大辐射和高能粒子。在“太阳黑”之后,紧贴着一层0.05毫米厚的钛箔,接下来是连续18层的隔热钛层。只要躲在这层护甲后面,所有仪器的环境温度,都不会超过50摄氏度,这大概也就是地球上一个炎热夏日的水平。

▲ 发射之前的Solar Orbiter,最上方的一面,就是防护层“太阳黑”。图/ESA-S

Solar Orbiter上装载的21个传感器,能够保证“护甲”能够一直面向着太阳,一旦后方出现了温度变化,Solar Orbiter就会迅速调整姿态。“护甲”上还留有许多观察孔,当拍照时机成熟时,这些观察孔上覆盖着的“镜头盖”就会打开,让太阳暴露在镜头之前。

▲ 这张照片上能够清晰的看到防护板上可开关的小洞,这些是相机拍摄的通路。图/ESA-S

为了给太阳拍出完美的相片,Solar Orbiter整整背了6台“照相机”。这其中既有可以拍摄可见光的日冕仪(观测太阳大气最外层的日冕和太阳风)、偏振和日震成像仪(观测太阳本体最上方的对流层)和日球成像仪(观测太阳风和日冕物质喷射),还有可以拍摄紫外线的极紫外线成像仪(拍摄除光球层外的太阳大气,将获得太阳的第一张全球紫外照片)、日冕环境的光谱成像仪(拍摄日冕),以及可以拍摄X光的X射线光谱仪(拍摄耀斑)。

▲ Solar Orbiter上的各类仪器设备,右侧为正对着太阳的一面。图/ESA

 除了相机之外,Solar Orbiter还配备了磁场探测器、高能粒子探测器、无线电与等离子体传感器、太阳风等离子体分析仪等4台仪器,以完成它的另一个任务——分析太阳风。 虽然是拍摄极地,但Solar Orbiter其实并没有飞跃真正飞跃两极上空,它所达到的与黄道面的最大夹角,只有33度。对于人类的相机来说,这个角度已经足够完成拍摄两极的任务了。天文探索就是这样,与精确的结果同等重要的,是性价比:更高的拍摄角度,需要着更漫长时间的转圈借力,也意味着更多的风险,33度足矣,一切都恰到好处

▲ Solar Orbiter并不会到太阳的垂直上方或下方去。图/ESA

恰到好处这一点,也能够从Solar Orbiter的结构材料看出。Solar Orbiter的框架用纯铝打造,铝很轻,可以为Solar Orbiter匀出更多的重量去搭载仪器,铝的熔点是660摄氏度,在照相机500摄氏度的上限工作温度中正好够用。 根据美国宇航局和欧洲航天局公布的数据,Solar Orbiter的设计寿命为7年,预计工作时间能够延长到10年。美国宇航局Solar Orbiter项目的次席科学家特蕾莎·妮薇丝对这个项目信心满满:“Solar Orbiter会极大地改变我们对太阳的认知,这个领域即将诞生革命性的成果!

Solar Orbiter,并非独行

在Solar Orbiter飞向太阳之前,有一个名为帕克的太阳探测器,已经在2018年的时候抵达了太阳附近。

▲ 帕克太阳探测器。图/NASA

 说起这个帕克,它的来头可比Solar Orbiter大得多,这从名字就能看得出来。帕克,是NASA第一个以健在的人的名字命名的探测器,而Solar Orbiter这个名字,不管怎么翻译都感觉十分啰嗦。 帕克是谁?他的全名叫尤金-帕克,是太阳风的发现者。不过,他并没有真的看到太阳风,而是通过彗星尾巴的方向,预测了这一风暴的存在。在帕克之前,所有人都认为,太阳周围的日冕一直处于静止不动的状态。

▲ 尤金·帕克。图/NASA

用大咖帕克命名的飞行器,也很厉害,它的目标,是飞到离太阳仅有610万公里的地方,从天文学的角度来看,这简直是和日冕脸对脸地贴在了一起,要知道,日冕的温度可是高达上百万摄氏度啊! 所以,帕克所工作的环境,比Solar Orbiter更为恶劣,它的护盾所要防护的,是高达1400摄氏度的高温。不过,这点温度对于人类的工业材料来说,并不是什么挑战,只要防护得当,帕克仪器的工作温度,仍然能保持在30摄氏度以下。

▲ 帕克也要通过不断地转圈(黄色的线为已走过的旅程,红色的是未来的旅程),才能逐渐接近太阳,在抵达距离太阳最近的地方的时间大约为2024年。图/NASA

帕克距离太阳的距离太近,温度太高,相机根本无法工作,所以,它的核心任务是分析日冕的成分,以解开日冕的高温之谜(太阳本体表面的对流层仅有5500摄氏度,但日冕却有上百万摄氏度)。 至于拍照的工作,就留给了Solar Orbiter,而且,帕克还会与Solar Orbiter一起分析太阳风的成分。没错,它们两个开展的是一项合作任务,相互互补,相互协作。 在不久的未来,一定还会有更多的探测器加入这个小团队。如果一切顺利的话,在下一个十年内,我们将对这颗万物依赖的星球了解更多。

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