歐美合作探測器跳出黃道面 首次直接觀測太陽極地區域

• 2020 年 2 月 10 日
• 資訊

美國東部時間2月9日晚上11:03（北京時間2月10日12:03），由歐洲空間局製造、1800公斤重的“太陽軌道器”（Solar Orbiter）航天器，搭乘一枚阿特拉斯5火箭，從美國卡納維拉爾角空軍基地騰空而起。

太陽軌道器從美國卡納維拉爾角空軍基地騰空而起

53分鐘後，按照預定計劃，太陽軌道器與火箭成功分離，這標誌著火箭發射取得了成功。但對於太陽軌道器，這只是“萬里長征邁出了第一步”。

太陽軌道器靠近太陽之旅

還需要在太空中飛行逾5年時間，太陽軌道器才能首次“看到”太陽極地區域。12月26日，太陽軌道器將飛越金星，利用引力彈弓效應，藉助金星加速，進入更靠近太陽的軌道；明年，它將再次借力金星和地球，使自己更靠近太陽——與太陽的距離比水星更近。

2025年2月18日，再次飛越金星將使太陽軌道器與黃道面傾角達到約17度，首次“看到”太陽極地區域。2029年6月飛越金星時，它與黃道面傾角將增加到33度。

在10年任務期內，太陽軌道器將圍繞太陽飛行22圈。

不同尋常

這裡我們先來了解一個概念：黃道面。不要想歪了，它跟“黃道吉日”不是親戚，是正經的科學。對於黃道面，百度百科的解釋是：地球繞太陽公轉的軌道平面，與地球赤道面交角為23°26'。

黃道面

與地球相似，太陽系中其他7個行星，圍繞太陽公轉的軌道基本上也在黃道面內，雖然有偏差，但相當小。不光是太陽系，其他任何恆星系也都是這樣，這是由恆星生成規律決定的，跟“黃道吉日”沒有半毛錢關係。

迄今為止，人類向太陽發射的航天器的運行軌道，也都在黃道面內。這就決定了它們的觀測範圍：太陽赤道及其兩側——從這一意義上來說跟在地球上觀測沒有本質的突破。

太陽軌道器的不同尋常之處就在於，它圍繞太陽旋轉的軌道不在黃道面內，實現對太陽極地區域的觀察。

與我們熟悉的地球一樣，太陽也是有兩極的，但我們在地球上，以及以前發射的航天器難以直接觀測到。這就是太陽軌道器的使命：對太陽極地區域進行觀測。

科學家希望，太陽軌道器收集的數據和拍攝的影像，能回答有關太陽的一些未解之謎，其中之一是為什麼太陽活動周期是11年？

11年之謎？

太陽活動周期對地球有很大影響

在談到太陽軌道器的使命時，歐洲空間局該項目科學家丹尼爾·穆勒（DanielMüller）說，人類已經觀察了太陽400年，發現太陽活動存在周期性，“但我們真心不知道它的周期為什麼是11年，這肯定是有原因的”。

每隔約11年，太陽兩極的磁場就會發生翻轉。

在11年的周期中，太陽活動會經歷所謂的“太陽極大期”和“太陽極小期”。“太陽極大期”期間，太陽黑子多；“太陽極小期”期間，黑子就少。

太陽黑子活躍時會對地球磁場產生影響。出現的磁暴現象會使指南針亂抖動，不能正確指示方向；無線通訊也會受到嚴重阻礙，甚至中斷一段時間，從而影響飛機、輪船和衛星的安全，甚至會造成電網中斷。

數十年來，科學家一直在試圖揭開太陽活動之謎，以為地磁暴的爆發做好準備，減少太陽活動對人類的不利影響。

通過觀察太陽赤道及兩側附近區域，科學家對太陽磁場有了一定了解。對於太陽磁場翻轉過程來說，極地區域是重要的組成部分，科學家希望對太陽極地區域進行直接觀測，更好地對太陽磁場“號脈”。穆勒說，“我們希望能可靠地預測太空天氣，但對太陽極地區域知之甚少。”

護身鎧甲

圖5：防熱罩

在最靠近時，太陽軌道器與太陽的距離僅為4200萬公里，它需要能防熱、防輻射。從地球出發後，太陽軌道器需要穿越漆黑一片的太空，忍受低至零下300華氏度的極低溫。

保護太陽軌道器不會被高溫熔化的，是一塊大小為10英尺 X 8英尺（3米 X 2.4米）、重量為324磅（147公斤）的防熱罩。防熱罩可以耐970華氏度（521℃）的高溫。

防熱罩可以耐逾521℃高溫

防熱罩由三層材料組成，最外面一層的材質是鈦，能反射熱量；中間是熱絕緣材料，最裡層是蜂巢結構的鋁材質。防熱罩厚度為15英寸（38厘米）。

防熱罩還需要能防輻射，強烈的紫外線輻射，會使防熱罩功能退化，失去保護太陽軌道器的作用，這就是防熱罩塗有黑色磷酸鈣塗層的原因。

太陽軌道器兩側還安裝有散熱器，為運行的儀器降溫，確保它們能正常運行。

以上是太陽軌道器能耐高溫的硬體，軟體也是非常重要的。太陽軌道器與地球的距離超過8800萬英里——相當於日地距離的95%——後，防熱罩就必須正對著太陽，給太陽軌道器撐起一把“遮陽傘”。這意味著，地面控制中心必須精確控制其位置和傾斜角度。

搭載哪些科學儀器？

太陽軌道器搭載有10種科學儀器，它們由不同國家研製，有些觀測太陽軌道器的環境，例如磁場和太陽風粒子，有些則負責對太陽拍照。

太陽軌道器搭載的10種科學儀器

·SWA（太陽風等離子分析儀）：能夠測量離子和電子的特性——其中包括密度、速度、溫度。它還可以探測太陽風中的關鍵元素，例如碳、氮、氧、鐵、硅、鎂。

·EPD（高能粒子探測儀）：探測超高溫、高能粒子的成分、時間和分布。

·MAG（磁力計）：以極高精度測量日球層磁場。

·RPW（無線電和等離子波分析儀）：利用諸多感測器/天線，以極高的時間解析度測量電場和磁場。

·PHI（偏振和日震成像儀）：對光球層磁場、視線速度和可見光範圍的連續強度，進行高解析度和全面測量。

·EUI（極紫外線成像儀）：提供光球層之上的太陽大氣層的影像序列，揭示太陽表面與日冕之間的聯繫。

·SPICE（日冕環境光譜成像儀）：拍攝極紫外線照片，揭示太陽日冕的等離子體性質。

·STIX（X射線成像光譜儀望遠鏡）：對太陽發出的4-150千電子伏特的X射線拍照。

·METIS（日冕儀）：同時對日冕的可見光、紫外光和極紫外光拍照。

·SoloHI（太陽軌道器日光層成像儀）：通過觀察由太陽風電子散射的可見光，對太陽風中的准穩定流和瞬時擾動成像。

與帕克太陽探測器的天作之合

與帕克太陽探測器合作對太陽進行探測

2018年，美國航空航天局發射了帕克太陽探測器，它的軌道更靠近太陽，是人類製造的有史以來速度最快的航天器。

帕克太陽探測器與太陽可以“親近”到僅400萬英里。相比之下，地球距離太陽9300萬英里，太陽系最里圈的行星水星，距離太陽2900萬英里。這意味著它需要更耐高溫——約200萬華氏度。

太陽軌道器與帕克太陽探測器在遙遠太空的協作，能夠發現太陽表面的一些現象。星期五，歐洲空間局科學主管岡瑟·哈辛格（Guenther Hasinger）在一次新聞發布會上說，“這真心是太空中一次完美、夢幻般的天作之合。”

太陽軌道器的“前輩”們

除太陽軌道器與帕克太陽探測器外，人類還發射過其他航天器對太陽進行探測。

美國航空航天局發射的先進成分探測器

·先進成分探測器：在地球和太陽之間監測太陽風的航天器，由美國航空航天局發射。

·Cluster：由歐洲空間局發射的4個航天器，在地球軌道上調查太陽風與地球磁場的相互作用。

·Hinode：對太陽磁場進行探測的日本航天器。

·太陽過渡層成像光譜儀衛星：在地球軌道上運行的一台小型紫外線望遠鏡，由美國航空航天局發射，目的是研究太陽大氣層底部熱量和能量的運動。

·Proba-2：歐洲空間局低成本衛星上的兩種儀器，負責對太陽進行觀察。

·日地關係天文台：由美國航空航天局發射的兩個幾乎完全相同的航天器，圍繞太陽公轉的軌道與地球相同，一個在地球前面，一個在地球後面。

·太陽動力學觀察衛星：美國航空航天局發射的一顆地球同步衛星，目的是研究太陽和太陽天氣對地球的影響。

·太陽和太陽風層探測器：由美國航空航天局和歐洲空間局聯合發射的航天器，自1995年以來一直在對太陽拍照。

·風：由美國航空航天局發射的航天器，目的是觀察來自太陽的帶電粒子氣體。(作者/霜葉)