有史以来最近太阳照片出炉:密集“营火”后藏着什么秘密?

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  人类首次拍摄到距离太阳最近的照片,在距离太阳表面7700万公里处,微小耀斑在狂舞。

  

  最近距离拍摄太阳:微小耀斑在狂舞。|ESA

  作者 | 陈天真

  7月16日,欧洲航天局(ESA)和美国航天局(NASA)合作的太阳轨道飞行器发布了一张最新照片。照片里,太阳的日冕中充满了成千上万的微型耀斑,就像是一堆堆营火在狂舞,被科学家形象地称为“营火”(campfire)。

  这是人类迄今为止拍摄到的距离太阳最近的照片,距离太阳表面只有7700万公里,大约是地球到太阳距离的一半。

  参与这项任务的科学家丹尼尔·穆勒(Daniel Muller)兴奋地说道:“我们从未用相机如此接近过太阳,而这只是太阳轨道飞行器将要进行的漫长史诗之旅的开始。”

  拍到太阳最近距离照片

  希腊神话中,能工巧匠戴达洛斯以蜡结合鸟羽做成翅膀,携儿子伊卡洛斯一起飞离克里特岛。伊卡洛斯兴奋地朝向太阳飞去,越飞越高,竟被太阳融化双翼,跌落水中丧生。

  太阳的高温,一直是我们逐日的障碍。作为人类最熟悉的天体,各类古籍对太阳的描述都不过是一颗“大火球”。可以想见,为了抵御太阳的热度,这颗太阳卫星必然经受了极端的考验。

  太阳轨道飞行器于今年2月10日发射升空,它的大部分设备都安装在一层40厘米厚的金属钛隔热罩后面,以保护飞行器和上面的仪器免受太阳热量的伤害。经过测试,它能够抵御500摄氏度的高温,并且可以承受相当于卫星在地球轨道上体验到的13倍的太阳热度。

  尽管在靠近太阳时,隔热罩的前端将承受剧烈的高温,但由于它的屏蔽作用,后面的仪器将保持在50摄氏度的凉爽环境下。

  飞行器上携带有6台遥感仪和望远镜,用于拍摄太阳的表面特征及其周围环境,同时还有安装在飞行器上的4台原位仪器用于监测自身周围的环境,比如太阳风的活动、带电粒子流的运动等。结合这两套仪器的数据,科学家就可以拼凑出关于太阳及各种太阳活动的更完整的图像。

  事实上,美国宇航局2018年发射的“帕克太阳探测器”可以抵达距离太阳更近的地方——它在整个任务期间会到达距离太阳表面620万公里(0.04个天文单位,地球到太阳的距离为一个天文单位)处,但由于距离太阳如此近时需要面临的周遭环境太过恶劣,它没有携带面向太阳的照相机。

  另外,位于夏威夷岛上的太阳望远镜虽然可以拍摄更高分辨率的太阳照片,但因为地球大气会过滤掉一些紫外线和X射线,这些照片并不能完全捕捉太阳发出的光。

  

  太阳表面被称为“营火”的微小耀斑。| Solar Orbiter/EUITeam/ESA & NASA; CSL, IAS, MPS, PMOD/WRC, ROB, UCL/MSSL

  太阳表面的新景观

  2020年5月30日,当太阳轨道飞行器运行到近日点,也就是它的椭圆轨道上最接近太阳的地方时,上面的极紫外线成像仪(EUI)拍摄了太阳的第一批照片。此时它距离太阳表面只有7700万公里(0.5个天文单位),大约是地球到太阳距离的一半。

  我们肉眼从地球上看来,太阳似乎异常平静,但当如此近距离地仔细观察时,则可以看到太阳表面到处都是微小的耀斑。这些微型耀斑的大小仅为地球上可见的太阳耀斑的百万分之一甚至数亿分之一。

  

  太阳轨道飞行器拍摄到的一个新发现的微小营火(白色箭头),作为比较,左下角的圆圈表示地球的大小。| Solar Orbiter/EUI Team/ESA & NASA; CSL, IAS, MPS, PMOD/WRC,ROB, UCL/MSSL

  耀斑是太阳表面突然产生的明亮爆发,被认为是太阳磁场相互作用引起的高能喷发。虽然科学家们还不知道,这些微型耀斑是地球上可见的更大耀斑的微缩版本,还是由全然不同的机制产生,但他们认为,如此多“营火”结合起来的总体效果可能导致了日冕为何如此灼热。

  日冕是太阳大气的最外层。长久以来,有一个问题一直困扰着天文学家:处于最外层的日冕为什么比太阳表面的温度还要高?要知道,太阳表面的温度大约“只有”5500摄氏度,但更外层的日冕的温度却达到了惊人的100万摄氏度,是太阳表面温度的数百倍。

  经过几十年的研究,我们仍然没有完全理解这一奇特现象背后的物理机制,这个问题也成为了太阳物理学的“圣杯”。要彻底地解决它可能为时尚早,但科学家们希望,太阳轨道飞行器能够帮助我们进一步回答这个问题。

  

  太阳核心的温度可以达到匪夷所思的1500万摄氏度,在这之外依次包裹着辐射层、对流层、光球层和大气层。光球层是人类肉眼可见的太阳表面,只有到了光球层,太阳才发出明亮的可见光。光球层上较为寒冷、黑暗的区域是我们熟悉的太阳黑子。光球层之外是太阳的大气层(含色球层),日冕是太阳大气的最外层。|umich.edu

  探索太阳磁场和太阳活动

  在未来两年内,太阳轨道飞行器将飞到距离太阳更近的地方,最近将抵达距离太阳表面4200万公里(0.28个天文单位)的高度,几乎是太阳到地球距离的四分之一。

  在这之后,科学家将进一步利用金星的引力作用,将飞行器的轨道角度抬升到椭圆轨道平面上方,最大倾角可达33度,这将使飞行器能够飞到太阳上空,探索太阳的两极。(欧洲航天局和美国宇航局的尤利西斯飞船曾在上世纪90年代和21世纪初两次飞越太阳的两极,但当时它没有携带照相机。)

  观测太阳的两极将帮助我们更好地了解太阳的周期性磁场活动。太阳磁场的南北两极每隔11年会发生一次反转。它是我们看到的所有太阳活动的根本原因:驱动着11年的太阳黑子周期,释放出狂暴的太阳风,也主宰着太阳的大气活动。此外,太阳表面磁场特别强的区域也是耀斑的诞生地。

  物理学家费曼画素描时,喜欢描画太阳磁场复杂、扭曲、时疏时密的线条,他为太阳磁场如何影响耀斑感到惊奇,将磁场线描绘成有点像女孩飘动的头发。费曼曾经研究过太阳磁场的产生机制,但直到今天,对于磁场如何从太阳的内部产生,我们仍然所知甚少。

  太阳轨道飞行器上携带有一个尖端仪器——偏振和日震成像仪(PHI),它被设计用于监测太阳表面磁场活跃的区域,将对磁场进行高分辨率测量,并可以利用日震学原理来研究太阳内部。

  

  太阳轨道飞行器观测到的太阳磁场。| Solar Orbiter/PHI Team/ESA & NASA

  太阳风是太阳向空间各个方向发射的持续不断的带电粒子流。这些粒子有时来自外层的日冕,有时来自靠近光球层的地方,它们沿着太阳的磁力线运动,速度可以达到每秒300~800公里。这些带电粒子为何能够加速到如此高的速度是关于太阳的另一个谜团,这个过程显然与日冕中的磁场有关,但具体的机制仍有待研究。

  当太阳风穿过太阳轨道飞行器时,其上的4个原位仪器会记录下磁场和太阳风的情况。根据这些信息,就可以估计太阳风是从太阳的哪些特定部分产生的。如果进一步综合6个成像仪器看到的太阳活动,我们或许可以更清楚地理解,太阳表面不同区域的物理过程如何共同作用,导致了太阳风的形成。

  太阳物理学的黄金时代即将到来

  作为一个渺小的地球人,我们很难确切体会到太阳究竟是怎样的庞然大物。单纯从数据角度说来,太阳的直径大约是地球的109倍,质量相当于33万个地球,我们甚至可以将130万个地球轻而易举地装进太阳里。但在今天,渺小的人类第一次如此近距离地看到了巨大的太阳。

  未来十年,太阳轨道飞行器将与帕克太阳探测器、夏威夷岛上的太阳望远镜一起,同时对太阳进行观测,深入探索关于太阳的诸多未解之谜,比如:

  太阳内部的磁场是如何产生的?

  太阳风的驱动力是什么?

  太阳的磁场大约每隔11年发生一次反转,这时太阳的两极在发生什么?

  耀斑、日冕物质抛射这类太阳活动如何影响整个太阳系?

  太阳爆发产生的高能粒子如何导致地球上的极端天气?

  

  太阳轨道飞行器(左)和帕克太阳探测器(右)将同时对太阳进行观测。|SolarOrbiter: ESA/ATG medialab; Parker Solar Probe: NASA/Johns Hopkins APL

  正如天文学家所言,接下来的十年将是太阳和太阳物理学研究的黄金时代。而我们也将看到太阳这颗大火球的全新面貌。

  来源:Solar Orbiter/EUI Team/ESA & NASA;CSL, IAS, MPS, PMOD/WRC, ROB, UCL/MSSL

  参考资料:

  [1]http://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Solar_Orbiter/

  Solar_Orbiter_s_first_images_reveal_campfires_on_the_Sun

  [2]http://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Solar_Orbiter/

  The_Sun_s_mysteries_for_Solar_Orbiter_to_solve

  [3] https://www.nature.com/articles/d41586-020-02136-4

  [4] https://www.nature.com/articles/d41586-020-00224-z

  [5] https://www.nature.com/articles/d41586-019-03684-0

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