裡程碑!太陽軌道飛行器公布最新成果:揭秘「營火」、太空天氣和...

2020-12-23 中國科學技術館

太陽軌道飛行器(Solar Orbiter)的最新結果顯示,該任務首次將太陽表面的事件與太空飛行器周圍的行星空間發生的事情直接聯繫起來。它也讓我們對太陽能「營火」、太空天氣和彗星解體有了新的認識。

歐洲航天局太陽軌道飛行器項目科學家丹尼爾·穆勒(Daniel Müller)說:「我對太陽軌道飛行器的性能以及保持它和儀器運行的各個團隊感到非常滿意。」

太陽軌道器的10個科學儀器被分成兩組。包括6個遙感望遠鏡和4個現場儀器。這些遙感儀器觀測太陽及其延伸的大氣層——日冕。現場儀器測量了太空飛行器周圍的粒子,這些粒子是由太陽釋放出來的,被稱為太陽風,以及它的磁場和電場。追蹤這些粒子和場的起源回到太陽表面是太陽軌道飛行器的關鍵目標之一。

在6月15日太陽軌道器第一次近距離飛越太陽時,觀測到該太空飛行器接近7700萬公裡,遙感和現場儀器都在記錄數據。

捕捉太陽風的足跡

太陽軌道飛行器的數據使得計算撞擊太空飛行器的太陽風的來源區域成為可能,並在遙感圖像中識別出這些「足跡」。在2020年6月研究的一個例子中,這個足跡出現在一個叫做「日冕洞」的區域的邊緣,在那裡太陽磁場延伸到太空,允許太陽風流動。

儘管這項工作是初步的,但它仍然超出了迄今為止的任何可能。

Tim Horbury是倫敦帝國理工學院的太陽軌道器原位工作小組的主席,他說:「我們以前從來沒有做過如此精確的測繪。」

揭秘「營火」背後的實景

太陽軌道器也有關於今年早些時候引起世界關注的太陽「營火」的新信息。

該任務的第一批圖像顯示了大量的小型太陽噴發,這些噴發橫跨太陽表面。科學家稱其為「營火」,因為與這些事件相關的確切能量尚不清楚。在沒有能量的情況下,尚不清楚它們是否與其他任務觀察到的較小規模的噴發事件相同。讓這一切變得如此誘人的是,長期以來人們一直認為太陽上存在小規模的「納米耀斑」,但我們以前從未有辦法看到這麼小的事件。

「這些篝火可能是我們用太陽軌道飛行器尋找的納米耀斑,」弗雷德裡克·奧切爾(Frédéric Auchère)說,他是法國奧賽天體物理研究所太陽軌道飛行器遙感工作小組的主席。

這一點很重要,因為理論上納米耀斑(nano-flares)是日冕加熱的原因,日冕是太陽的外層大氣。日冕的溫度約為100萬攝氏度,而其表面僅為5000攝氏度,這一事實至今仍是太陽物理學中最令人困惑的問題之一。調查這一奧秘是太陽軌道飛行器的主要科學目標之一。

為了探索這一想法,研究人員一直在用太陽軌道飛行器的SPICE(日冕環境光譜成像)儀器分析數據。SPICE的目的是揭示太陽表面氣體的速度。它已經表明,確實有一些小規模的事件,在這些事件中,氣體以顯著的速度移動,但尋找與營火的關聯尚未完成。

在彗星尾巴上「衝浪」

除了向計劃科學目標的太陽軌道器的進展,科學家們還從太空飛行器上得到了意外的發現。

太陽軌道飛行器發射後不久,人們注意到它將穿過阿特拉斯彗星的兩條尾巴,順流而下。雖然太陽軌道器不是為這樣的情境而設計的,也不打算在這個時候採集科學數據,但任務專家努力確保所有的現場儀器都記錄了這次獨特的「奇遇」。

結果,彗星在宇宙飛船靠近之前就解體了。因此,如果沒有預期的尾部發出的強烈信號,宇宙飛船完全有可能什麼也看不到。

但事實並非如此。太陽軌道飛行器確實在來自彗星地圖集的數據中看到了特徵,但不是科學家通常預期的那種東西。太空飛行器沒有發現強烈的單尾交叉,而是在磁數據中發現了許多波的片段。它也檢測到了小塊區域的灰塵。這可能是彗星分裂成許多小碎片時從內部釋放出來的。

「實際上,這是我們第一次穿越解體彗星的尾跡。」「那裡有很多非常有趣的數據,這是我們可以利用太陽軌道飛行器進行高質量科學研究的又一個例子。」

解釋難以捉摸的太空天氣

太陽軌道飛行器(Solar Orbiter)在太空中的大部分時間裡都在測量太陽風,記錄了一些從太陽噴射出的粒子。然後,在4月19日,一個特別有趣的日冕物質拋射掃過太陽軌道器。

日冕物質拋射,簡稱CME,是一種大型空間天氣事件,數十億噸的粒子可以從太陽的外層大氣中噴射出來。在這次特殊的日冕物質拋射中,太陽軌道器在4月14日從太陽爆發,距離地球到太陽的距離約為20%。

太陽軌道飛行器並不是唯一觀測到這一事件的太空飛行器。歐空局的貝皮科倫坡水星任務當時正好飛過地球。美國宇航局還有一架名為STEREO的太陽探測器,它位於距太陽-地球直線90度的地方,直接觀測日冕物質日冕所經過的空間區域。它觀測了日冕物質拋射對太陽軌道器的影響,然後觀測了貝皮科倫坡和地球的影響。把來自不同太空飛行器的測量數據結合起來,讓研究人員能夠真正研究日冕物質拋射在太空中演化的方式。

不過同樣有趣的是,經常負責觀察太陽爆發的ESA-NASA的SOHO太空飛行器,卻幾乎沒有記錄到這種情況。這使得4月19日的事件成為罕見的一類空間天氣事件,被稱為隱形CME。研究這些難以捉摸的事件將有助於我們更全面地了解太空天氣。

在未來幾年,多點科學的機會將會增加。在12月27日,太陽軌道飛行器將完成它的第一次金星飛越。這次活動將利用火星的引力使太空飛行器更靠近太陽,使太陽軌道飛行器處於更好的位置,以便與美國宇航局的帕克太陽探測器進行聯合測量,帕克太陽探測器也將在2021年完成兩次金星飛掠。

當帕克在太陽大氣層內部進行現場測量時,太陽軌道飛行器將拍攝同一區域的圖像。這兩個太空飛行器將一起提供細節和更大的圖景。

「2021年對於太陽軌道飛行器來說將是一個激動人心的時刻,」美國宇航局太陽軌道飛行器項目科學家特蕾莎·尼維斯-欽奇利亞(Teresa Nieves-Chinchilla)表示。「到今年年底,所有儀器將在成熟的科學模式下協同工作,我們將準備更接近太陽。」

到2022年,太陽軌道飛行器將靠近太陽表面4800萬公裡以內,比2021年的距離要近2000萬公裡。

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