人類從未如此瞭解“陽光”,太陽探測器如何為太陽科學指引方向

太陽與太陽系其他星球的真實尺寸對比

太陽似乎是我們再熟悉不過的天體了,數億年來,陽光普照大地,地球生命蓬勃發展,可以這麼說,如果沒有太陽,地球上是不會存在生命的,太陽是地球生命發展的必要條件之一。太陽是驅動地球近乎所有生命物理過程的主要能量來源,在地球上,太陽為構成食物鏈基礎的植物提供了生長的基礎能量。太陽還可以幫助地球大氣升溫,幫助地球保持適宜溫度,這孕育了無數生命。

太陽幫助地球孕育了生命,幫助穩定地球氣候,這持續而深遠的影響造就了許多生命的誕生。雖然太陽幫助了我們太多,但是面對這樣一個龐然大物,科學家們還是有一點擔心,太陽領域科學的研究結果證明太陽能量輸出的變化會直接影響我們的氣候,太陽活動週期與太陽活動是否劇烈也會直接影響我們的衛星等其他太空技術。

Hi-C是安裝在探空火箭上的太陽望遠鏡,它捕捉到了太陽活動的最高解析度影象,我們可以看到太陽活動的噴射流都是細絲結構

人類科學正在不斷髮展與進步,科學家們想要更多的瞭解太陽,更多的瞭解這從未注意到的“陽光”。太陽對我們的意義非凡,瞭解太陽就是通曉人類的未來。太陽相比於地球來說,實在是太巨大了,可以這麼說,太陽吼三吼,地球都要抖三抖。人類可承受不住地球的任何異動,所以只有更多的瞭解太陽才能讓人類的現代文明延續下去。

科學家們認識到了觀測並研究太陽的重要性,因為太陽不僅可以影響人類,太陽內部的核聚變原理也是科學家們夢寐以求的能源模式。太陽不是火球,我們可以把太陽看做一個天然的恆星聚變體,太陽核心氫會持續變成氦並引起核聚變反應,這一反應最後會轉移到太陽的表面,電磁輻射,太陽耀斑和令人難以置信的太陽熱能會逸出太空,如果太陽活動劇烈且頻繁,地球軌道的衛星將會受到影響。

這是一個太陽週期中太陽的嵌合影象,太陽活動最高峰發生在2001年,1996年和2006年太陽活動為最低

人類對衛星等太空技術或者科學儀器的依賴度越來越高了,所以我們需要實時注意太陽的動態。科學家會從太陽磁場,活動,噴射粒子等方面研究太陽,分析太陽活動,瞭解太陽的活動週期,這對人類的未來活動很有幫助。另外,太陽的誕生與演化還與太陽系的演化息息相關,在太陽系初期,太陽系中心是如何塌陷發生核聚變反應並形成太陽的,早期太陽又是如何塑造太陽系其他星球的,這都是科學家們研究的方向。

科學家們對太陽科學的追求從未停止過,除了地面望遠鏡之外,還有很多近距離靠近太陽的太陽探測器。接下來,我們一起走進今年發射成功的太陽軌道探測器任務,一起來看看科學家們如何利用探測器的科學儀器瞭解太陽,探尋這習以為常的“陽光”。研究太陽確實不是一件容易的事情,首先探測器必須要先足夠靠近太陽,所以說太陽軌道探測器的工作其實是分階段進行的。

太陽軌道探測器將在金星周圍進行兩次行星引力輔助加速,並在地球周圍進行一次行星引力輔助加速,以改變探測器的軌道,最終到達目標軌道

首先,太陽軌道探測器會進行巡航階段,今年2月發射的太陽軌道探測器的巡航階段將一直持續到2021年11月。在這個階段內,太陽軌道探測器的科學儀器將收集有關航天器周圍環境的科學資料,而其機載的遙感姿態控制系統將專注於校準軌道,以準備在太陽附近進行科學操作。巡航階段將包括多次行星引力輔助加速,想要更快的靠近太陽,就必須進行行星引力加速。

行星引力輔助加速之後,2022年,太陽軌道飛行器將開始其任務的主要階段,在2022年太陽軌道探測器將首次近距離飛行,這個時候太陽軌道探測器和太陽的距離是地球到太陽距離的三分之一。在主要任務階段中,太陽軌道探測器將進行連續的金星引力輔助加速,將其軌道轉向太陽,探測器也將抬離黃道平面。

在巡航階段,歐洲航天局與美國宇航局的工程師會測試太陽軌道探測器的科學儀器。只是近距離飛越太陽是不行的,過去包括現在的每一個太陽探測器都擁有機載科學載荷,在近距離飛越的時候,太陽探測器就會開啟所有的科學儀器,記錄太陽的各種資料,這些資料將是太陽物理學家們分析太陽各種活動的理論基礎。

太陽軌道探測器有10個科學儀器,每一個科學儀器都有自己的觀察領域與研究目標,這樣科學家們才能收集到更多資料。比如說EPD高能粒子探測器,這是研究太陽噴發活動的儀器,太陽活動往往伴隨著高能粒子輻射現象,這些高能粒子會對衛星等其他太空技術產生影響。除此之外,還有SWA太陽風活動分析儀套件和RPW無線電波等離子波探測儀,這三個科學儀器都是分析太陽噴發活動的,只不過分析角度不同。

Daniel K. Inouye太陽望遠鏡是地球上最大的太陽望遠鏡,這是Inouye拍攝到的太陽表面細節,藉助望遠鏡的精密儀器和高解析度影象,科學家們可以更好地瞭解太陽表層結構

除了研究太陽噴發活動對人類的影響,科學家們還準備了其他7個科學儀器,這是為了全方面瞭解太陽的工作原理與演化形式。為了更好的給太陽活動成像,科學家們還在太陽軌道探測器上使用了極紫外光成像技術,極紫外成像儀可用於在非常高的溫度下跟蹤高能粒子的運動模式。EUI極紫外成像儀將幫助我們給太陽高能粒子成像,就好像我們能看到磁場的磁感線一樣。

說到EUI,我們不得不說Metis日冕成像儀,Metis可以在距太陽表面約302000至908000英里之間進行日冕活動成像工作,EUI能看到太陽高能粒子,而Metis可以為太陽高能粒子測速。可以說極紫外成像技術放在太陽物理學研究中是再合適不過了,有了EUI和Metis,太陽軌道探測器可以對太陽進行活動與結構成像,並分析高能粒子的多項引數。

NASA SDO太陽探測器會使用兩種不同的機載儀器,以13種不同的方式觀察太陽

太陽為什麼會有噴發活動?一個原因是太陽磁場,太陽磁場是理解所有太陽活動的關鍵,太陽磁場也是所有太陽活動的根源。研究太陽磁場是太陽物理學中至關重要的,所以科學家們為太陽軌道探測器安裝了MAG太陽磁場儀,瞭解太陽磁場可以幫助科學家瞭解高能粒子如何到達地球軌道並影響我們。

MAG是間接觀測太陽離子體的運動行為來研究太陽磁場,而PHI極化日震成像儀則是透過“日震”活動來研究太陽磁場,就像地球的地震一樣,日震的波會在對流區隆起,太陽內部將會受到很大影響,透過製作太陽表面上磁峰和磁谷的資料圖,科學家們可以估算日光層等不同結構中的磁場。

散佈在地球磁場中的高能粒子太陽噴射流會擾亂導航和通訊系統,這些高能粒子會與地球電離層摩擦產生美麗的極光

每一種觀測角度與視角都非常重要,科學家們可以透過不同角度觀察太陽,獲得各式各樣的資料。說到觀測角度,可見光觀測儀器是探測器上必不可少的一項科學載荷。這時候就要看SoloHi太陽軌道探測器成像儀的能力了,其實除了直接對太陽進行成像,SoloHi還會捕獲行星間介質,也就是給太陽和行星空間的所有物質拍照,研究太陽附近環境,這將為未來的太陽探測器提供任務基礎。

總而言之從研究模式來說,太陽軌道器結合了兩種主要的研究模式,原位科學儀器將測量探測器周圍的環境,檢測電場,磁場,高能粒子和波等引數,側面提供關於太陽的資料。而遙感儀器將直接對太陽及其太陽外軌道進行成像,收集太陽工作原理的直接資料。從角度來說,太陽軌道探測器將從X射線,極紫外,可見光,結構成像這四個角度觀察太陽的所有重要引數。

太陽活動轟擊地球模擬圖,地球磁場可以保護地球上的生命

另外值得注意的是,在任務的主要階段,太陽軌道探測器將同時啟動六個儀器捕獲太陽北極和南極的影象,直觀並具體地瞭解太陽的兩極非常重要,因為太陽極地區域可以提供有關太陽強大磁場如何運作的多角度資料。

科學儀器之間可以相互配合工作,探測器與探測器之間也可以協同工作,太陽軌道探測器現在正在與帕克太陽探測器協同工作。帕克太陽探測器目前正在進行為期7年的任務,它剛剛完成了第四次飛越太陽的任務。太陽軌道探測器將是第一個對太陽極地進行直接成像的太陽探測器,而帕克太陽探測器將是有史以來最靠近太陽的探測器。就是這樣,探測器與探測器之間相互協作,未來會逐漸形成太陽探測器陣列,就像地球軌道的觀測衛星陣列一樣。

這些任務都可以幫助解開太陽的奧秘,並幫助科學家更深入的瞭解太陽,我們將比過去任何時候都瞭解太陽。數百萬年來,人類總是習以為常的接受陽光的洗禮,卻不知道太陽這個大傢伙一個噴嚏就能讓全人類重返石器時代,所以瞭解和預知至關重要。

因為對現代科學技術的依賴和對未來科學的追求,所以我們比以往任何時候都需要了解太陽科學,這一切不僅僅是為了讓人類文明延續下去……在這一保證條件下,我們將追求更深遠的科學。未來還會有更多的有關太陽探測器的任務,我們對太陽的理解會不斷加深,這將為人類的星球探索任務增加更多保障。

目前來說,地球是宇宙中唯一的擁有生命的星球,而太陽只是銀河系乃至宇宙中一顆普通的恆星,太陽對我們也許很特殊,但是在宇宙中只是微不足道的一顆恆星,科學家們在研究太陽的同時,也會注意到其他系外恆星與太陽的不同。科學具有前瞻性,更具有實用價值,現在太陽探測器的資料可以幫助科學家應對太陽活動帶來的種種影響,而在未來,這些資料將成為未來人類成為多星球物種的基石。

最大的恆星盾牌座UY與太陽的對比,太陽不到1畫素

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