人类从未如此了解“阳光”,太阳探测器如何为太阳科学指引方向
太阳
作者: 火星星舰
2020-09-16 07:34:26
[ 闻蜂导读 ] 孕育与毁灭,人类的担忧 太阳与太阳系其他星球的真实尺寸对比 太阳似乎是我们再熟悉不过的天体了,数亿年来,阳光普照大地,地球生命蓬勃发展,可以这么说,如果没有太阳,地球上是不会存在生命的,太阳是地球生命发展的必要条件之一。太阳是驱动地球近乎所有生命物理过程的主要能量来源,在地球上,太阳为构成食物链基础的植物提供了生长的基础能量。太阳还可以

孕育与毁灭,人类的担忧

太阳与太阳系其他星球的真实尺寸对比

太阳似乎是我们再熟悉不过的天体了,数亿年来,阳光普照大地,地球生命蓬勃发展,可以这么说,如果没有太阳,地球上是不会存在生命的,太阳是地球生命发展的必要条件之一。太阳是驱动地球近乎所有生命物理过程的主要能量来源,在地球上,太阳为构成食物链基础的植物提供了生长的基础能量。太阳还可以帮助地球大气升温,帮助地球保持适宜温度,这孕育了无数生命。

太阳帮助地球孕育了生命,帮助稳定地球气候,这持续而深远的影响造就了许多生命的诞生。虽然太阳帮助了我们太多,但是面对这样一个庞然大物,科学家们还是有一点担心,太阳领域科学的研究结果证明太阳能量输出的变化会直接影响我们的气候,太阳活动周期与太阳活动是否剧烈也会直接影响我们的卫星等其他太空技术。

Hi-C是安装在探空火箭上的太阳望远镜,它捕捉到了太阳活动的最高分辨率图像,我们可以看到太阳活动的喷射流都是细丝结构

人类科学正在不断发展与进步,科学家们想要更多的了解太阳,更多的了解这从未注意到的“阳光”。太阳对我们的意义非凡,了解太阳就是通晓人类的未来。太阳相比于地球来说,实在是太巨大了,可以这么说,太阳吼三吼,地球都要抖三抖。人类可承受不住地球的任何异动,所以只有更多的了解太阳才能让人类的现代文明延续下去。

科学家们认识到了观测并研究太阳的重要性,因为太阳不仅可以影响人类,太阳内部的核聚变原理也是科学家们梦寐以求的能源模式。太阳不是火球,我们可以把太阳看做一个天然的恒星聚变体,太阳核心氢会持续变成氦并引起核聚变反应,这一反应最后会转移到太阳的表面,电磁辐射,太阳耀斑和令人难以置信的太阳热能会逸出太空,如果太阳活动剧烈且频繁,地球轨道的卫星将会受到影响。

这是一个太阳周期中太阳的嵌合图像,太阳活动最高峰发生在2001年,1996年和2006年太阳活动为最低

比以往任何时候都更了解太阳

人类对卫星等太空技术或者科学仪器的依赖度越来越高了,所以我们需要实时注意太阳的动态。科学家会从太阳磁场,活动,喷射粒子等方面研究太阳,分析太阳活动,了解太阳的活动周期,这对人类的未来活动很有帮助。另外,太阳的诞生与演化还与太阳系的演化息息相关,在太阳系初期,太阳系中心是如何塌陷发生核聚变反应并形成太阳的,早期太阳又是如何塑造太阳系其他星球的,这都是科学家们研究的方向。

科学家们对太阳科学的追求从未停止过,除了地面望远镜之外,还有很多近距离靠近太阳的太阳探测器。接下来,我们一起走进今年发射成功的太阳轨道探测器任务,一起来看看科学家们如何利用探测器的科学仪器了解太阳,探寻这习以为常的“阳光”。研究太阳确实不是一件容易的事情,首先探测器必须要先足够靠近太阳,所以说太阳轨道探测器的工作其实是分阶段进行的。

太阳轨道探测器将在金星周围进行两次行星引力辅助加速,并在地球周围进行一次行星引力辅助加速,以改变探测器的轨道,最终到达目标轨道

首先,太阳轨道探测器会进行巡航阶段,今年2月发射的太阳轨道探测器的巡航阶段将一直持续到2021年11月。在这个阶段内,太阳轨道探测器的科学仪器将收集有关航天器周围环境的科学数据,而其机载的遥感姿态控制系统将专注于校准轨道,以准备在太阳附近进行科学操作。巡航阶段将包括多次行星引力辅助加速,想要更快的靠近太阳,就必须进行行星引力加速。

行星引力辅助加速之后,2022年,太阳轨道飞行器将开始其任务的主要阶段,在2022年太阳轨道探测器将首次近距离飞行,这个时候太阳轨道探测器和太阳的距离是地球到太阳距离的三分之一。在主要任务阶段中,太阳轨道探测器将进行连续的金星引力辅助加速,将其轨道转向太阳,探测器也将抬离黄道平面。

在巡航阶段,欧洲航天局与美国宇航局的工程师会测试太阳轨道探测器的科学仪器。只是近距离飞越太阳是不行的,过去包括现在的每一个太阳探测器都拥有机载科学载荷,在近距离飞越的时候,太阳探测器就会打开所有的科学仪器,记录太阳的各种数据,这些数据将是太阳物理学家们分析太阳各种活动的理论基础。

太阳轨道探测器与太阳物理学

太阳轨道探测器有10个科学仪器,每一个科学仪器都有自己的观察领域与研究目标,这样科学家们才能收集到更多数据。比如说EPD高能粒子探测器,这是研究太阳喷发活动的仪器,太阳活动往往伴随着高能粒子辐射现象,这些高能粒子会对卫星等其他太空技术产生影响。除此之外,还有SWA太阳风活动分析仪套件和RPW无线电波等离子波探测仪,这三个科学仪器都是分析太阳喷发活动的,只不过分析角度不同。

Daniel K. Inouye太阳望远镜是地球上最大的太阳望远镜,这是Inouye拍摄到的太阳表面细节,借助望远镜的精密仪器和高分辨率图像,科学家们可以更好地了解太阳表层结构

除了研究太阳喷发活动对人类的影响,科学家们还准备了其他7个科学仪器,这是为了全方面了解太阳的工作原理与演化形式。为了更好的给太阳活动成像,科学家们还在太阳轨道探测器上使用了极紫外光成像技术,极紫外成像仪可用于在非常高的温度下跟踪高能粒子的运动模式。EUI极紫外成像仪将帮助我们给太阳高能粒子成像,就好像我们能看到磁场的磁感线一样。

说到EUI,我们不得不说Metis日冕成像仪,Metis可以在距太阳表面约302000至908000英里之间进行日冕活动成像工作,EUI能看到太阳高能粒子,而Metis可以为太阳高能粒子测速。可以说极紫外成像技术放在太阳物理学研究中是再合适不过了,有了EUI和Metis,太阳轨道探测器可以对太阳进行活动与结构成像,并分析高能粒子的多项参数。

NASA SDO太阳探测器会使用两种不同的机载仪器,以13种不同的方式观察太阳

太阳为什么会有喷发活动?一个原因是太阳磁场,太阳磁场是理解所有太阳活动的关键,太阳磁场也是所有太阳活动的根源。研究太阳磁场是太阳物理学中至关重要的,所以科学家们为太阳轨道探测器安装了MAG太阳磁场仪,了解太阳磁场可以帮助科学家了解高能粒子如何到达地球轨道并影响我们。

MAG是间接观测太阳离子体的运动行为来研究太阳磁场,而PHI极化日震成像仪则是通过“日震”活动来研究太阳磁场,就像地球的地震一样,日震的波会在对流区隆起,太阳内部将会受到很大影响,通过制作太阳表面上磁峰和磁谷的数据图,科学家们可以估算日光层等不同结构中的磁场。

散布在地球磁场中的高能粒子太阳喷射流会扰乱导航和通信系统,这些高能粒子会与地球电离层摩擦产生美丽的极光

每一种观测角度与视角都非常重要,科学家们可以通过不同角度观察太阳,获得各式各样的数据。说到观测角度,可见光观测仪器是探测器上必不可少的一项科学载荷。这时候就要看SoloHi太阳轨道探测器成像仪的能力了,其实除了直接对太阳进行成像,SoloHi还会捕获行星间介质,也就是给太阳和行星空间的所有物质拍照,研究太阳附近环境,这将为未来的太阳探测器提供任务基础。

总而言之从研究模式来说,太阳轨道器结合了两种主要的研究模式,原位科学仪器将测量探测器周围的环境,检测电场,磁场,高能粒子和波等参数,侧面提供关于太阳的数据。而遥感仪器将直接对太阳及其太阳外轨道进行成像,收集太阳工作原理的直接数据。从角度来说,太阳轨道探测器将从X射线,极紫外,可见光,结构成像这四个角度观察太阳的所有重要参数。

太阳活动轰击地球模拟图,地球磁场可以保护地球上的生命

另外值得注意的是,在任务的主要阶段,太阳轨道探测器将同时启动六个仪器捕获太阳北极和南极的图像,直观并具体地了解太阳的两极非常重要,因为太阳极地区域可以提供有关太阳强大磁场如何运作的多角度数据。

未来太阳探测器阵列

科学仪器之间可以相互配合工作,探测器与探测器之间也可以协同工作,太阳轨道探测器现在正在与帕克太阳探测器协同工作。帕克太阳探测器目前正在进行为期7年的任务,它刚刚完成了第四次飞越太阳的任务。太阳轨道探测器将是第一个对太阳极地进行直接成像的太阳探测器,而帕克太阳探测器将是有史以来最靠近太阳的探测器。就是这样,探测器与探测器之间相互协作,未来会逐渐形成太阳探测器阵列,就像地球轨道的观测卫星阵列一样。

这些任务都可以帮助解开太阳的奥秘,并帮助科学家更深入的了解太阳,我们将比过去任何时候都了解太阳。数百万年来,人类总是习以为常的接受阳光的洗礼,却不知道太阳这个大家伙一个喷嚏就能让全人类重返石器时代,所以了解和预知至关重要。

因为对现代科学技术的依赖和对未来科学的追求,所以我们比以往任何时候都需要了解太阳科学,这一切不仅仅是为了让人类文明延续下去……在这一保证条件下,我们将追求更深远的科学。未来还会有更多的有关太阳探测器的任务,我们对太阳的理解会不断加深,这将为人类的星球探索任务增加更多保障。

目前来说,地球是宇宙中唯一的拥有生命的星球,而太阳只是银河系乃至宇宙中一颗普通的恒星,太阳对我们也许很特殊,但是在宇宙中只是微不足道的一颗恒星,科学家们在研究太阳的同时,也会注意到其他系外恒星与太阳的不同。科学具有前瞻性,更具有实用价值,现在太阳探测器的数据可以帮助科学家应对太阳活动带来的种种影响,而在未来,这些数据将成为未来人类成为多星球物种的基石。

最大的恒星盾牌座UY与太阳的对比,太阳不到1像素

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