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史上最接近太阳的摄像机,带你看从未见过的太阳

发布时间:2021-09-16 09:39 来源:新发现杂志

  还没有哪台“摄像机”能如此地接近太阳!去年6月,“环日轨道器”将遥测成像仪一一对准太阳,捕捉到了这个“沸腾大火炉”的许多惊人画面。未来数年,关于日冕的谜团也将被揭开。

  无处不在的“纳耀斑”

  去年7月,“环日轨道器”(Solar Orbiter)拍摄的首批照片记录到一大拨“能量喷泉”:

  这些等离子体可喷射几百千米之高,但从整个太阳的尺度来看,如此规模实则微乎其微……

  “这是这批照片带来的最大惊喜,”项目成员之一、巴黎-萨克雷大学空间天体物理学研究所(IAS)的弗雷德里克·奥谢尔(Frédéric Auchère)解释道,“这些都是太阳耀斑,与我们在地球上观察到的那些没什么区别,不过大小只有后者的几百分之一。”天体物理学家之前就相信“纳耀斑”(nanoflare)存在。

  毕竟,他们需要找到一个传递热量的机制来解释日冕平均约200万度的超高温。而环日轨道器的极紫外全太阳高解析影像仪(EUI)配有两台高分辨成像仪,其解析力达前代探测器的两倍,终于让纳耀斑现身了。这些耀斑的能量只有标准耀斑的百万分之一,且持续时间仅为数秒。

  “但现在我们知道了,太阳上每时每处都在产生纳耀斑。之后要做的是计算日冕是否仅凭耀斑就能达到这样的温度。”弗雷德里克·奥谢尔解释道,“而且随着探测器进一步地接近太阳,我们还将寻找规模更小、数量或许更多的耀斑。”

  跃入日冕内部

  这是太阳表面2000千米之上的色球层的景象。

  这层太阳大气只有专门的紫外光谱影像仪能看到:原始图像经前文提及的EUI处理后,才转化成了玫红色。

  该处温度约为10000℃,还不算“太高”……从这里往上,温度会一路飙升:再上升2000千米后的温度将达到至少100万摄氏度!“太阳大气是层层相连的,”弗雷德里克·奥谢尔解释道,“我们在这个波长范围内尝试观测的是下层到上层的能量转移。”尤其要找到纳耀斑的源头,以尽可能精确地算出它们传递的能量。“可惜,这一部分的波段我们没能调整好,因为探测器的飞行条件和在地面测试的不一样。要获得用足分辨率的图像还需等待。”

  “活捉”太阳风

  日冕的美丽充分展现在下图中:此处的太阳大气层不断向宇宙喷射温度近200万摄氏度的质子和电子。

  在可见光下,日冕的亮度只有太阳的数百万分之一。因此,探测器搭载的Metis日冕仪配备了一个可遮挡太阳主体的圆形挡板,从而使日冕现身。目前呈现的日冕,其赤道部分比两极密度更高,这是太阳周期中磁场活动最小期的特征。

  然而,科学家最感兴趣的还是两极,因为那里形成的太阳风速度可达每秒800千米,他们尚不了解其成因,这也是环日轨道器的核心探索任务之一。探测器将在飞行的过程中逐渐与黄道平面岔开,从而破天荒地对太阳的两极进行拍摄!

  在此期间,磁场活动理应有所增强,因此,耀斑的强度会提升且数量也会显著增加。届时,景象一定非常壮观。

  绘制磁场流动

  这就是太阳的磁场全貌。

  图像摄于去年6月18日,图中的蓝色部分代表潜入太阳表面的磁场线,红色则代表穿出表面的磁场线。

  “除了右下区域,太阳目前还是相对平静的。它正处于其11年周期中的活动最小期。”弗雷德里克·奥谢尔观察道。测量磁场的“极化和日震影像仪”(PHI)采用的经典技术在地面望远镜上运用已久,源自塞曼效应:一旦物质进入强磁场,它发出的光会发生变化。

  而由于该仪器和太阳史无前例地接近,太阳的磁场波动以前所未有的精度展现出来:直径只有1000千米的太阳黑子也出现在图像上。在创纪录的分辨率之下,PHI揭示了阿尔文波的起源。这种只存在于等离子体中的波会将自身的能量传递给日冕,是造成日冕高温的原因之一。

  “之前进行的严格测试就像是白做了。通常建造这种复杂程度的机器,总给人一种一定会出错的感觉……但这次却是例外!”弗雷德里克·奥谢尔松了一口气,目前看来,他所参与的欧洲空间局(ESA)“环日轨道器”项目取得了全面成功。

  去年6月,也就是这个造价14亿欧元的探测器发射4个月后,它走完了日地平均距离的半程,成为目前最接近太阳的影像设备。

  (ESA)“环日轨道器”

  “那段时期压力尤其大,因为仪器校准阶段恰恰处于新冠疫情最严峻的时期,”此次任务副科学干事雅尼·祖格阿涅利斯(Yannis Zouganelis)回顾道,“ESA操作中心都关门了。研究人员分散在美国和欧洲各地,每个人各自在家完成工作。如此复杂任务中的关键阶段在这样的条件下完成,这在航天史上还是头一回。”

  尽管如此,探测器最终的表现超出所有人的预期。第一批照片已经出炉:四溢的等离子体,“上蹿下跳”的磁场线,大气湍流……太阳呈现了人类前所未见的细节。“这些照片是在‘飞行接收’阶段拍摄的,主要用于测试探测器在极端条件下的运行情况,并非出于科研目的,”弗雷德里克·奥谢尔解释道,“然而,我们已经可以从中整理出一些研究结果了!”

  要更好地观察太阳,除了尽可能地逼近它,别无他法。尽管地球表面有三十多架望远镜在全年无休地观察太阳,尽管自人类开始太空探险以来已发射二十多台太阳探测器,太阳内部的运行机制仍有许多方面无从了解。

  而太阳的大气层,尤其是日冕,有越来越多的研究人员为之着迷。“日冕的温度比太阳表面高几百倍。而从常理来说,离热源越远,温度应该越低才是。”弗雷德里克·奥谢尔描述道。科学家也不明白太阳风是如何从两极加速至800千米/秒的。“很难在地球上观察太阳的两极,因为没有合适的角度,”奥谢尔遗憾地补充说,“我们是从掠射角进行观察,所以没法用多普勒效应来绘制风速图。”

  200万摄氏度的大气层

  接近一个大气温度高达200万摄氏度的恒星并拍照是极其困难的。哪怕加上了一层前所未有的热保护层,探测器依然要与太阳保持不小于0.28个天文单位的安全距离,也就是4200万千米。相比美国国家航空航天局(NASA)于2018年发射的“帕克太阳探测器”(Parker Solar Probe),环日轨道器离太阳要远大约三倍,而帕克太阳探测器没有携带任何摄像头。

  “帕克太阳探测器”(Parker SolarProbe)

  “帕克太阳探测器之于环日轨道器,相当于法拉利之于劳斯莱斯,前者速度更快,某些方面表现更佳……但环日轨道器配备的仪器更完善。”两个项目都有参与的法国奥尔良大学教授蒂埃里·杜多克·德威特(Thierry Dudok de Wit)比较说。

  环日轨道器的仪器中,有4个是内置的传感器,负责实时研究探测器所处的环境,测量当前磁场和撞击粒子的性质,等等。还有6个高清摄像仪,对X射线、红外线、紫外线及可见光等多种波长都极其敏感。

  在最接近太阳时,摄像仪可以拍摄分辨率达每像素100千米的图像,要知道太阳的直径是地球的109倍,也就是1392000千米,这个精度已然非常惊人!在完成一半行程时,探测器的分辨率就已达到每像素175千米,因而发现了太阳表面的纳耀斑,确定了太阳大气层的范围,揭示出太阳风的结构以及太阳的磁场波动。“图像的质量在调整后还能大幅提高。”参与“极化和日震影像仪”设计工作的蒂埃里·阿普尔绍(Thierry Appourchaux)承诺道。

  最重要的是,探测器在几年后会提供一个前所未有的观测视角:届时,探测器将近距离飞越金星,从而逐渐错开黄道平面,直到抵达能拍摄太阳两极的位置。之前从来没有探测器能做到这一点!1990年代“尤利西斯”号(Ulysses)探测器曾前往观察太阳的两极,然而当时负责影像部分的NASA突然退出项目。“太阳的两极是太阳物理学研究的盲区之一,”蒂埃里·阿普尔绍指出,“是时候填补这一空白了!”

“尤利西斯”号(Ulysses)

  为什么太阳表面和日冕以不同的速率自转?它的磁场是如何形成的?其演变是否可以预测?研究人员有一种预感:这些问题的答案就藏在太阳的两极之中。“这是一片从未探索过的领域,我们从中可以得知太阳每11年的活动周期是如何变化的。”蒂埃里·阿普尔绍补充道。事实上,当两个太阳周期交替时,下一个周期的磁场会先出现在两极。

  “其实,太阳内部的一切都是互相关联的,”雅尼·祖格阿涅利斯总结道,“太阳风的物理性质取决于日冕的物理性质,太阳黑子的物理性质由太阳磁场的物理性质决定,而后者又受制于太阳的内部结构。”环日轨道器将通过机载的6台遥测仪器,在有史以来最接近太阳的位置对上述问题进行探索。这颗恒星内部最后的秘密很快会揭开。

编辑:徐菁
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