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來源：ohb-sweden.se

太陽對(duì)人類及地球的重要性已毋庸置疑，太陽打個(gè)噴嚏，地球就要發(fā)燒。無數(shù)事例證明，地球上的異常自然災(zāi)害，很多和太陽活動(dòng)有莫大干系。對(duì)于太陽物理和空間物理學(xué)家來說，最大的愿望就是能把太陽360度無死角看個(gè)清楚，好更多了解給予我們光和熱的這顆恒星。

近日，在美國卡納維拉爾角，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的阿特拉斯五號(hào)火箭把一位新的太陽“攝影師”送上了一條前輩沒有走過的路。她不但可清晰地看到太陽的南北兩極，還能利用手中的十八般兵器，把太陽的周身看個(gè)清清楚楚。她的名字叫太陽軌道飛行器(Solar Orbiter，SO)。

SO是歐洲航天局和美國國家航空航天局聯(lián)合研制的太陽探測(cè)器，承擔(dān)了繼帕克太陽探測(cè)器后，人類對(duì)內(nèi)層太陽系的又一次探測(cè)任務(wù)。

對(duì)太陽兩極作完整可靠的觀測(cè)

如果我們能把視角從地球擴(kuò)展到整個(gè)太陽系，將會(huì)看到包括地球在內(nèi)的所有行星都集中在太陽赤道附近的平面——黃道面上。此前，受航天技術(shù)的限制，從地球上發(fā)射的航天器，即便掙脫地心引力的束縛，大部分也只能在地球公轉(zhuǎn)軌道面附近運(yùn)行。因此，此前服役的一些太陽探測(cè)器，只能提供地球公轉(zhuǎn)面附近的觀測(cè)視角，無法準(zhǔn)確看到太陽極區(qū)的情況。而設(shè)置在地面上的各類太陽望遠(yuǎn)鏡更是如此。

中國科學(xué)院云南天文臺(tái)太陽活動(dòng)及日冕物質(zhì)噴發(fā)理論研究組首席研究員林雋告訴科技日?qǐng)?bào)記者，首先，太陽是一個(gè)整體，兩極區(qū)域和其他區(qū)域都是太陽上相互關(guān)聯(lián)、相互影響的部分。因此想要全面研究太陽、了解太陽，哪個(gè)部分都不能少。以前沒有相關(guān)研究或者說研究得太少，是因?yàn)闆]有獲得過關(guān)于太陽兩極完整可靠的觀測(cè)資料。

其次，我們看到的、能夠影響地球及周邊環(huán)境的太陽活動(dòng)與包括太陽耀斑在內(nèi)的太陽爆發(fā)，都源于太陽大氣中磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化、磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化和釋放。太陽大氣中的磁場(chǎng)先在太陽內(nèi)部產(chǎn)生，在太陽兩極區(qū)域上浮到太陽大氣當(dāng)中，然后跟著太陽內(nèi)部的物質(zhì)流動(dòng)慢慢地向赤道區(qū)域漂移。在漂移的過程中，這些磁場(chǎng)自身會(huì)發(fā)生變化，并與周圍其他的磁場(chǎng)相互作用而發(fā)生能量的轉(zhuǎn)化、釋放，驅(qū)動(dòng)太陽耀斑等爆發(fā)現(xiàn)象產(chǎn)生。

太陽風(fēng)是從太陽表面吹出來的高速等離子體流，或者說是高速帶電粒子流，它們?cè)诖艌?chǎng)的引導(dǎo)下向外運(yùn)動(dòng)。如果人類不飛出地球公轉(zhuǎn)軌道所在的平面，這些關(guān)于太陽風(fēng)的三維結(jié)構(gòu)認(rèn)知都是無法得到的。“磁場(chǎng)如何從太陽內(nèi)部進(jìn)入太陽大氣?進(jìn)入太陽大氣之后如何演化、如何延伸?了解這些對(duì)研究太陽風(fēng)的走向和運(yùn)動(dòng)特性至關(guān)重要。這也是人們?yōu)槭裁匆訌?qiáng)對(duì)太陽兩極的觀測(cè)和研究。”林雋說。

借力“蕩出”太陽公轉(zhuǎn)黃道面

地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道所在平面與太陽的赤道所在平面大致重合，因此在地球附近或在地球公轉(zhuǎn)軌道面上觀測(cè)太陽的話，只能夠觀測(cè)到太陽赤道附近的磁場(chǎng)和活動(dòng)現(xiàn)象，靠近極區(qū)或者在極區(qū)當(dāng)中的情形就難以得知。

“太陽軌道飛行器將逐步飛出黃道面，我們將首次看到太陽兩極。”參與此次任務(wù)的荷蘭諾德維克歐洲空間研究與技術(shù)中心的太陽物理學(xué)家丹尼爾·穆勒說。通過飛越太陽兩極，我們可以觀測(cè)太陽兩極的磁場(chǎng)和周圍等離子體的物理特性和化學(xué)組成。

“發(fā)射能夠繞著太陽兩極飛行的飛船，使其軌道面盡可能垂直于地球公轉(zhuǎn)的軌道面，這要耗費(fèi)非常巨大的能量，或者說需要非常強(qiáng)大的火箭并耗費(fèi)非常多的燃料，技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都不合算。”林雋認(rèn)為，經(jīng)濟(jì)合理的辦法，就是先將飛船發(fā)射到地球公轉(zhuǎn)的軌道上，在這個(gè)軌道平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)到其他行星附近，利用其他行星的引力，實(shí)現(xiàn)飛船的加速或減速，然后在合適的時(shí)機(jī)，啟動(dòng)飛船上的推進(jìn)器，改變飛船的運(yùn)動(dòng)軌跡并飛離這顆行星。“這個(gè)過程叫行星借力。通過行星借力，一來可以提高或降低飛船的速度，二來可以改變飛船的運(yùn)動(dòng)軌道，比如將原來在黃道面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的飛船推到垂直于黃道面的軌道上。”林雋打了個(gè)比方，利用行星借力改變飛船軌道，有點(diǎn)像高速運(yùn)動(dòng)的汽車發(fā)生側(cè)滑時(shí)的情況。一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的物體，即使受到很小的側(cè)面推力，運(yùn)動(dòng)軌跡馬上就會(huì)發(fā)生顯著的變化。借助金星和地球的引力，SO在飛行中與金星形成軌道共振關(guān)系，定期相遇。每相遇一次，就能借助金星的引力拉近與太陽的距離，同時(shí)逐漸偏離地球公轉(zhuǎn)軌道面。

據(jù)悉，在最初4年的基本任務(wù)階段，SO運(yùn)行軌道相對(duì)太陽赤道面的軌道傾角，可以達(dá)到17度，能夠更清楚地觀察到太陽極區(qū)。在后續(xù)的擴(kuò)展任務(wù)階段，其軌道傾角可以達(dá)到33度，對(duì)太陽極區(qū)的觀測(cè)質(zhì)量將會(huì)進(jìn)一步提高。

SO能干的事還有很多

過去唯一去過太陽兩極的航天器是1990年發(fā)射的尤利西斯探測(cè)器。在2009年退役前它繞著太陽飛行了3圈，探測(cè)太陽極區(qū)太陽風(fēng)和高能粒子，獲得了非常豐富的資料，更新了人們關(guān)于太陽風(fēng)的很多知識(shí)，但它攜帶的照相機(jī)沒能正常工作，因此沒有獲得太陽極區(qū)的照片，也沒有能夠了解那個(gè)區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)、等離子體的空間結(jié)構(gòu)和演化特征。

此次SO的軌道距離太陽最近時(shí)約為地日平均距離的0.28倍，最遠(yuǎn)則與地日距離相仿。“此前，沒有人能夠在如此近的距離拍攝太陽極區(qū)圖像。”負(fù)責(zé)管理磁強(qiáng)計(jì)儀器的英國倫敦帝國理工學(xué)院海倫·奧布賴恩說：“我們應(yīng)該能夠看到一些美麗的畫面。”

除了類似于望遠(yuǎn)鏡的可以直接看太陽的遙感觀測(cè)儀器外，SO還配備了4臺(tái)局地探測(cè)儀器，用以“感受”所在位置的磁場(chǎng)和等離子體參數(shù)。芬蘭赫爾辛基大學(xué)的科學(xué)家艾米莉亞·基爾普亞博士說：“太陽軌道飛行器的一大優(yōu)點(diǎn)，是它的探測(cè)范圍將覆蓋很多不同的距離，因此當(dāng)日冕物質(zhì)從太陽發(fā)射到地球時(shí)，我們可以真正地捕捉到這些日冕物質(zhì)拋射。”這可以讓科學(xué)家們了解到太陽風(fēng)和日冕物質(zhì)拋射從太陽到地球的旅程中到底發(fā)生了哪些變化;對(duì)準(zhǔn)確進(jìn)行空間天氣預(yù)報(bào)很重要，可給人們帶來最及時(shí)的預(yù)警。

2018年8月發(fā)射的帕克太陽探測(cè)器，雖然遙感觀測(cè)儀器沒有SO豐富，軌道也基本處在地球公轉(zhuǎn)面以內(nèi)，但它與太陽的最小距離比SO更小，能夠探測(cè)到日冕加熱和太陽風(fēng)加速最原始的過程;而SO豐富的遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)和不同日心距離的局地探測(cè)數(shù)據(jù)，則可以為揭開帕克探測(cè)器數(shù)據(jù)背后的秘密提供豐富線索。

“SO獲得的觀測(cè)資料，還將幫助我們回答當(dāng)代太陽物理研究的一系列核心問題。”林雋說，對(duì)太陽風(fēng)的觀察，或可幫助我們認(rèn)識(shí)太陽風(fēng)的驅(qū)動(dòng)源是什么，日冕磁場(chǎng)源于何處，太陽上磁場(chǎng)再生過程是如何工作的，又是如何制約太陽同整個(gè)太陽系空間之間的聯(lián)系;在太陽爆發(fā)與周圍太陽風(fēng)的相互作用方面，可以幫助人們進(jìn)一步摸清太陽瞬變現(xiàn)象或爆發(fā)如何影響包括地球周圍環(huán)境在內(nèi)的太陽周圍行星際環(huán)境變化;在太陽高能粒子的來源、加速和傳播過程方面，可揭示太陽爆發(fā)是如何產(chǎn)生充滿整個(gè)太陽系空間的高能粒子輻射，太陽爆發(fā)驅(qū)動(dòng)的激波可以將帶電粒子加速到接近光速的能量，而這些高能粒子是如何進(jìn)入、并充滿行星際空間等一系列重大科學(xué)問題。(記者 趙漢斌 通訊員 陳 艷)