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航天器直接观测太阳极地区域:11年之谜待解,保证不融化

2020/2/10 23:10:34来源:作者:霜叶责编:骑士评论:

北京时间2月10日消息,美国东部时间2月9日晚上11:03(北京时间2月10日12:03),由欧洲空间局制造、1800公斤重的“太阳轨道器”(Solar Orbiter)航天器,搭乘一枚阿特拉斯5火箭,从美国卡纳维拉尔角空军基地腾空而起。

53分钟后,按照预定计划,太阳轨道器与火箭成功分离,这标志着火箭发射取得了成功。但对于太阳轨道器,这只是“万里长征迈出了第一步”。

图2:太阳轨道器靠近太阳之旅

还需要在太空中飞行逾5年时间,太阳轨道器才能首次“看到”太阳极地区域。12月26日,太阳轨道器将飞越金星,利用引力弹弓效应,借助金星加速,进入更靠近太阳的轨道;明年,它将再次借力金星和地球,使自己更靠近太阳——与太阳的距离比水星更近。

2025年2月18日,再次飞越金星将使太阳轨道器与黄道面倾角达到约17度,首次“看到”太阳极地区域。2029年6月飞越金星时,它与黄道面倾角将增加到33度。

在10年任务期内,太阳轨道器将围绕太阳飞行22圈。

不同寻常

这里我们先来了解一个概念:黄道面。不要想歪了,它跟“黄道吉日”不是亲戚,是正经的科学。对于黄道面,百度百科的解释是:地球绕太阳公转的轨道平面,与地球赤道面交角为23°26'。

图3:黄道面

与地球相似,太阳系中其他7个行星,围绕太阳公转的轨道基本上也在黄道面内,虽然有偏差,但相当小。不光是太阳系,其他任何恒星系也都是这样,这是由恒星生成规律决定的,跟“黄道吉日”没有半毛钱关系。

迄今为止,人类向太阳发射的航天器的运行轨道,也都在黄道面内。这就决定了它们的观测范围:太阳赤道及其两侧——从这一意义上来说跟在地球上观测没有本质的突破。

太阳轨道器的不同寻常之处就在于,它围绕太阳旋转的轨道不在黄道面内,实现对太阳极地区域的观察。

与我们熟悉的地球一样,太阳也是有两极的,但我们在地球上,以及以前发射的航天器难以直接观测到。这就是太阳轨道器的使命:对太阳极地区域进行观测。

科学家希望,太阳轨道器收集的数据和拍摄的图像,能回答有关太阳的一些未解之谜,其中之一是为什么太阳活动周期是11年?

11年之谜?

图4:太阳活动周期对地球有很大影响

在谈到太阳轨道器的使命时,欧洲空间局该项目科学家丹尼尔·穆勒(DanielMüller)说,人类已经观察了太阳400年,发现太阳活动存在周期性,“但我们真心不知道它的周期为什么是11年,这肯定是有原因的”。

每隔约11年,太阳两极的磁场就会发生翻转。

在11年的周期中,太阳活动会经历所谓的“太阳极大期”和“太阳极小期”。“太阳极大期”期间,太阳黑子多;“太阳极小期”期间,黑子就少。

太阳黑子活跃时会对地球磁场产生影响。出现的磁暴现象会使指南针乱抖动,不能正确指示方向;无线通信也会受到严重阻碍,甚至中断一段时间,从而影响飞机、轮船和卫星的安全,甚至会造成电网中断。

数十年来,科学家一直在试图揭开太阳活动之谜,以为地磁暴的爆发做好准备,减少太阳活动对人类的不利影响。

通过观察太阳赤道及两侧附近区域,科学家对太阳磁场有了一定了解。对于太阳磁场翻转过程来说,极地区域是重要的组成部分,科学家希望对太阳极地区域进行直接观测,更好地对太阳磁场“号脉”。穆勒说,“我们希望能可靠地预测太空天气,但对太阳极地区域知之甚少。”

护身铠甲

图5:防热罩

在最靠近时,太阳轨道器与太阳的距离仅为4200万公里,它需要能防热、防辐射。从地球出发后,太阳轨道器需要穿越漆黑一片的太空,忍受低至零下300华氏度的极低温。

保护太阳轨道器不会被高温熔化的,是一块大小为10英尺X 8英尺(3米X 2.4米)、重量为324磅(147千克)的防热罩。防热罩可以耐970华氏度(521℃)的高温。

图6:防热罩可以耐逾521℃高温

防热罩由三层材料组成,最外面一层的材质是钛,能反射热量;中间是热绝缘材料,最里层是蜂巢结构的铝材质。防热罩厚度为15英寸(38厘米)。

防热罩还需要能防辐射,强烈的紫外线辐射,会使防热罩功能退化,失去保护太阳轨道器的作用,这就是防热罩涂有黑色磷酸钙涂层的原因。

太阳轨道器两侧还安装有散热器,为运行的仪器降温,确保它们能正常运行。

以上是太阳轨道器能耐高温的硬件,软件也是非常重要的。太阳轨道器与地球的距离超过8800万英里——相当于日地距离的95%——后,防热罩就必须正对着太阳,给太阳轨道器撑起一把“遮阳伞”。这意味着,地面控制中心必须精确控制其位置和倾斜角度。

搭载哪些科学仪器?

太阳轨道器搭载有10种科学仪器,它们由不同国家研制,有些观测太阳轨道器的环境,例如磁场和太阳风粒子,有些则负责对太阳拍照。

图7:太阳轨道器搭载的10种科学仪器

·SWA(太阳风等离子分析仪):能够测量离子和电子的特性——其中包括密度、速度、温度。它还可以探测太阳风中的关键元素,例如碳、氮、氧、铁、硅、镁。

·EPD(高能粒子探测仪):探测超高温、高能粒子的成分、时间和分布。

·MAG(磁力计):以极高精度测量日球层磁场。

·RPW(无线电和等离子波分析仪):利用诸多传感器/天线,以极高的时间分辨率测量电场和磁场。

·PHI(偏振和日震成像仪):对光球层磁场、视线速度和可见光范围的连续强度,进行高分辨率和全面测量。

·EUI(极紫外线成像仪):提供光球层之上的太阳大气层的图像序列,揭示太阳表面与日冕之间的联系。

·SPICE(日冕环境光谱成像仪):拍摄极紫外线照片,揭示太阳日冕的等离子体性质。

·STIX(X射线成像光谱仪望远镜):对太阳发出的4-150千电子伏特的X射线拍照。

·METIS(日冕仪):同时对日冕的可见光、紫外光和极紫外光拍照。

·SoloHI(太阳轨道器日光层成像仪):通过观察由太阳风电子散射的可见光,对太阳风中的准稳定流和瞬时扰动成像。

与帕克太阳探测器的天作之合

图8:与帕克太阳探测器合作对太阳进行探测

2018年,美国航空航天局发射了帕克太阳探测器,它的轨道更靠近太阳,是人类制造的有史以来速度最快的航天器。

帕克太阳探测器与太阳可以“亲近”到仅400万英里。相比之下,地球距离太阳9300万英里,太阳系最里圈的行星水星,距离太阳2900万英里。这意味着它需要更耐高温——约200万华氏度。

太阳轨道器与帕克太阳探测器在遥远太空的协作,能够发现太阳表面的一些现象。星期五,欧洲空间局科学主管冈瑟·哈辛格(Guenther Hasinger)在一次新闻发布会上说,“这真心是太空中一次完美、梦幻般的天作之合。”

太阳轨道器的“前辈”们

除太阳轨道器与帕克太阳探测器外,人类还发射过其他航天器对太阳进行探测。

图9:美国航空航天局发射的先进成分探测器

·先进成分探测器:在地球和太阳之间监测太阳风的航天器,由美国航空航天局发射。

·Cluster:由欧洲空间局发射的4个航天器,在地球轨道上调查太阳风与地球磁场的相互作用。

·Hinode:对太阳磁场进行探测的日本航天器。

·太阳过渡层成像光谱仪卫星:在地球轨道上运行的一台小型紫外线望远镜,由美国航空航天局发射,目的是研究太阳大气层底部热量和能量的运动。

·Proba-2:欧洲空间局低成本卫星上的两种仪器,负责对太阳进行观察。

·日地关系天文台:由美国航空航天局发射的两个几乎完全相同的航天器,围绕太阳公转的轨道与地球相同,一个在地球前面,一个在地球后面。

·太阳动力学观察卫星:美国航空航天局发射的一颗地球同步卫星,目的是研究太阳和太阳天气对地球的影响。

·太阳和太阳风层探测器:由美国航空航天局和欧洲空间局联合发射的航天器,自1995年以来一直在对太阳拍照。

·风:由美国航空航天局发射的航天器,目的是观察来自太阳的带电粒子气体。

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关键词:太阳航天器

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