人類將首次拍下太陽兩極的照片，這可能和每個人都密切相關

今天中午，在大洋彼岸的黑夜中，美國宇航局（NASA）和歐洲航天局（ESA）聯手開發的 「太陽軌道飛行器」（Solar Orbiter），從卡納維拉爾角空軍基地發射升空。

這個飛行器最終的目的地，就是帶給地球黎明的太陽，它將首次拍下太陽兩極的圖像，開啟人類探索太陽的一段新徵程。

有史以來離太陽最近的相機，將首次拍下太陽兩極照片

儘管人類對太陽的觀測已經有很長一段時間，不久前世界最大的太陽望遠鏡還公佈了首批高清太陽照片，但所有觀測太陽的成像儀器，都只能拍到黃道面（ecliptic plane）角度的太陽，從未觀測過太陽的兩極。
所謂黃道面，就是地球以及其他行星圍繞太陽公轉的平面。而太陽軌道飛行器則要脱離黃道面，以鳥瞰視角對太陽兩極進行觀測。


其實這並不是第一個嘗試飛越太陽兩極的飛行器，1990 年美國宇航局（NASA）和歐洲航天局（ESA）就曾合作，將尤利西斯號太陽探測器（Ulysses）發射升空，尤利西斯號在 2009 年退役前，曾繞太陽飛行了三圈。


▲尤利西斯號太陽探測器.

雖然尤利西斯號也曾掠過太陽兩極，但與太陽的最近距離比日地距離還要遠，而且它只攜帶了原位儀器（in situ instrument），只能測量飛船周圍的太陽風情況。

而這一次的太陽軌道飛行器，在最近的時候距離太陽表面只有 2600 萬英里（約 4184 萬公里），這將比距離太陽最近的行星水星（5800 萬公里）更接近太陽，這也是觀測太陽的理想距離。


通過太陽軌道飛行器攜帶的 4 台原位儀器和 6 台遙感成像儀，人類將首次拍下太陽兩極的照片，這也是有史以來最接近太陽的相機。這次任務 NASA 副項目科學 Teresa Nieves-Chinchilla 表示：

引用我們能夠繪製出原位儀器觀所「觸摸」到的太空環境，以及遙感成像儀「看到」的太陽。

不過飛行器要逃離黃道面也不容易，這需要更大的能量，太陽軌道飛行器將利用地球和金星的引力，將自己彈射到兩極的觀察區域。


▲ 太陽軌道飛行器的預計飛行軌道. 圖片來自：ESA

這其實是利用了航天動力學中的「彈弓效應」，通過行星或其他天體的相對運動和引力改變飛行器的軌道和速度，以此來節省燃料、時間和成本。
這樣的場景在科幻電影《星際穿越》就曾出現，電影中飛船燃料不足，宇航員只能通過多次飛近一顆引力巨大的黑洞，從而獲得了加速度以抵達下一個星球。


▲《星際穿越》劇照

據 NASA 介紹，在太陽軌道飛行器的設計壽命為 7 年，將在太陽赤道高 24 度的傾斜面上運行，3 年後傾斜將達到 33 度。

飛行器靠近太陽後，面臨的則是超高温的考驗。要知道被太陽高温炙烤的水星，白天温度就到達 430 ℃，而比水星更接近的太陽的飛行器，所要承受的温度更高，在這樣的高温下，太空探測器和眾多儀器往往難以正常工作。

▲ 太陽軌道飛行器的隔熱罩.

因此太陽軌道飛行器採用一種定製的鈦隔熱罩，上面覆蓋了磷酸鈣塗層，可以承受超過 900 華氏度（約 480 ℃）的高温，其中 5 個遙感成像儀測將通過隔熱罩上的窺視孔觀測太陽，隔熱罩後的儀器的温梯度能在保持在零下 4 華氏度到零下 122 華氏度之間。

正如歐洲航天局的科學家 Daniel Müller 所説，這將進入一個未知的世界。

太陽兩極背後的祕密，可能和每個地球人都有關係

為什麼要千里迢迢給太陽兩極拍照？因為在太陽兩極發生的事，可能對太空中的航天器、宇航員。乃至地球上每個人都會造成不小的影響。
這要從太陽黑子説起，1843 年德國天文學家 Samuel Heinrich Schwabe 發現太陽黑子存在週期性的變化。在為期 11 年的週期裏，太陽黑子數先增加，然後逐漸下降至初始水平，而太陽的兩極的磁場，每 11 年也會翻轉一次。


▲太陽耀斑. 圖片來自：NASA

在太陽磁場翻轉前夕，太陽黑子活動會達到頂峰，太陽風暴也出現的最為頻繁。

當這些太陽風暴襲擊地球，會對地球磁場產生擾動，不僅會對干擾 GPS 和通信衞星，威脅太空中宇航員的生命，地球大量電子設備和基礎設施也可能受到波及。
在 1859 年 9 月，地球曾遭遇了有記載以來最強烈的太陽風暴，全球多地都出現了絢麗的極光，而同時歐洲和北美的電報系統卻徹底癱瘓，電報機自動起火，甚至有發報員遭遇電擊，史稱「卡靈頓事件」


▲  圖片來自：Amino Apps

類似的事情發生了不止一兩次。1989 年的 3 月的一次太陽風暴，就讓加拿大魁北克省電網癱瘓，全省停電超過 9 個小時。同時美國新澤西州的塞倫核電站也嚴重損毀。


▲新澤西塞倫核電站損毀的變壓器. 圖片來自：Modern Survival Blog

在這個高度依賴電網、衞星導航和各種電子設備的的現代社會，太陽風暴給我們造成影響將更加巨大。根據美國科學院 2011 年的一份報告，如果發生超級太陽風暴，第一年就可能給美國帶來 1-2 萬億美元的損失，而風暴後的重建時間可能需要 4-10 年。

要避免太陽風暴對我們造成影響，首先就要搞清楚其形成的原理。科學家認為，太陽風暴的形成可能與太陽黑子 11 年的活動週期有關，但科學家一直無法搞清楚為什麼這個週期是 11 年，NASA 科學家 Holly Gilbert 認為，觀測太陽兩極磁場的變化或許可以找到答案。

引用太陽兩極對於我們進行精確建模來説尤為重要，為了能預測太空天氣事件，我們需要一個非常精確的太陽全球磁場模型。

與帕克太陽探測器合作，破解更多未解之謎

太陽軌道飛行器是 NASA 是近年來對內層太陽系的第二次主要探測任務，2018 年 8 月，NASA 斥資 15 億美元打造的帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）就開始了逐日之旅。
帕克太陽探測器是有史以來距離太陽最近的探測器，也是人造航天器首次抵達恆星大氣層。在 1 月 29 日，帕克太陽探測器才剛剛完成了第四次近日飛行，最近的時候距離太陽表面只有 400 萬英里（約 640 萬公里）。


而在不久的將來，太陽軌道飛行器會與帕克太陽探測器協同工作，帕克太陽器在近距離對太陽粒子進行採樣，而太陽軌道飛行器則在更遠處拍攝太陽的圖像，科學家會將兩者的觀測結果整合到一起。

此外當兩個探測器偶爾處於統一水平線上時，還會在不同的時間點對同樣的太陽磁場線或太陽風流束進行測量。NASA 科學家 Nieves-Chinchilla 表示，兩個探測器一同進入軌道是航天史上一個巨大里程碑。

引用這是太陽物理學家數十年來一直在等待的事情。在未來十年，兩者必將共同改變這一領域。

跟帕克太陽探測器，當太陽軌道飛行器完成任務後，不太可能再返回地球了，除了隔熱罩的部分都會被燃燒殆盡，只剩下隔熱罩繞着太陽旋轉，數千年後，這會成為人類探索太陽的印記，就像果殼網編輯 @Ent_evo 暢想的那樣：

引用也許當智慧生命第二次在地球上誕生的時候，會注意到太陽邊上的一個明亮小物體。也許這將是伊卡洛斯飛得離太陽最近的一次。

題圖及部分配圖來自：NASA


資料來源：愛範兒（ifanr）