南方周末特約撰稿　鞠強(qiáng)

太陽軌道探測器可以在太陽自轉(zhuǎn)時在表面的某些位置上空懸停。來源　?　ESA

太陽軌道探測器發(fā)射升空圖。來源　?　ESA

太陽軌道探測器進(jìn)入發(fā)射前的準(zhǔn)備工作。

人類其實并不真正了解他們再熟悉不過的太陽。最近兩年來先后發(fā)射的兩架太陽探測器將對造成太陽行為變化以及如何影響地球的背后力量有更多的認(rèn)識。

2020年4月24日是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（Hubble Space Telescope）升空30周年紀(jì)念日，全世界的天文學(xué)家和天文愛好者都在慶祝這個具有里程碑意義的日子。30年來，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡成果豐碩，徹底改變了我們對宇宙的認(rèn)識。

但在以哈勃太空望遠(yuǎn)鏡為代表的一批探測器望向宇宙深處的同時，我們其實在很長時間里都缺乏對太陽的足夠了解。太陽作為太陽系的母星，對人類、地球上的其他生命以及整個太陽系都有著不可替代的意義，因此研究太陽的形成、演化和對地球的影響就成為天體物理學(xué)家的重要任務(wù)之一。不過，伴隨兩臺太陽探測器在2018年和2020年先后發(fā)射，我們有望以前所未有的水平了解這個對人類來說最重要的天體。

探索太陽兩極

北京時間2020年2月10日，由歐洲空間局（ESA）領(lǐng)導(dǎo)并和美國國家航空航天局（NASA）合作的太陽軌道探測器（Solar Orbiter）在美國佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空。如果任務(wù)進(jìn)展順利，太陽軌道探測器將成為首個拍攝太陽南北極地區(qū)圖像的探測器，從而幫助研究人員獲得對太陽更加完整的了解。

太陽軌道探測器是ESA正在實施的名為“宇宙視野2015-2025”（Cosmic Vision2015-2025）的科學(xué)計劃的一部分。發(fā)射這樣一個探測器的想法最早始于1982年。2000年，ESA同意啟動這個項目并在2003年進(jìn)行了再次確認(rèn)。ESA在2012年同制造商簽訂合同。探測器的制造前后花費了6年時間，并經(jīng)過1年多的測試。ESA最早計劃在2017年把探測器發(fā)射升空，后經(jīng)過幾次推遲最終確定在2020年。

太陽軌道探測器重1800千克，翼展18米，攜帶10種科學(xué)設(shè)備，包括磁力計、高能粒子探測儀和太陽風(fēng)層成像儀等。依靠這些設(shè)備，探測器可以實現(xiàn)兩種研究模式：一種是測量探測器附近的空間環(huán)境，包括電場、磁場和粒子等；另一種是從遠(yuǎn)處拍攝太陽的圖像，包括太陽大氣和物質(zhì)的噴流。探測器距離太陽最近時同太陽的距離只有大約4200萬千米，屆時將位于水星的軌道內(nèi)。特制的隔熱板可以經(jīng)受500℃高溫的考驗，先進(jìn)的隔熱技術(shù)將對探測器攜帶的科學(xué)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

探測器成功發(fā)射后，項目團(tuán)隊首先會對其進(jìn)行為期大約3個月的調(diào)試，以驗證探測器攜帶的科學(xué)設(shè)備都能正常工作。此后，探測器還需要將近2年的時間才能進(jìn)入環(huán)繞太陽的工作軌道，這個特殊的軌道是探測器能夠拍攝太陽南北兩極圖像的關(guān)鍵。

日地平均距離約為1.5億千米（1AU），這個距離遠(yuǎn)小于地球到冥王星的距離。但是，把探測器向太陽發(fā)射并不比把探測器向冥王星發(fā)射更簡單。地球時刻都在高速繞太陽旋轉(zhuǎn)，從地球上發(fā)射的探測器需要減速，不斷降低軌道，才能接近太陽。這個減速過程通過探測器自身的發(fā)動機(jī)無法完成，因此在接近太陽的過程中，探測器不是徑直飛向太陽，而是首先需要3次借助行星的引力彈弓效應(yīng)實現(xiàn)減速。這3次分別是2020年12月和2021年8月依靠金星的引力彈弓效應(yīng)減速以及2021年11月依靠地球的引力彈弓效應(yīng)減速。

在利用地球的引力彈弓效應(yīng)減速后，探測器將在2022年首次飛掠太陽，此時距離太陽的距離約為日地距離的1/3。在隨后的任務(wù)期內(nèi)，探測器還會6次利用金星的引力彈弓效應(yīng)不斷接近太陽，并將自己從太陽系的黃道面中甩出，進(jìn)入環(huán)繞太陽的高橢圓軌道。

在太陽系中，行星環(huán)繞太陽運(yùn)行的軌道基本都在一個平面內(nèi)，這個平面和太陽自身的赤道面只有很小的夾角。因此，地球上的望遠(yuǎn)鏡或者衛(wèi)星上的望遠(yuǎn)鏡對太陽進(jìn)行觀測時，對太陽赤道地區(qū)有比較多的了解，對太陽的南北極地區(qū)的觀測則非常有限。ESA和NASA曾經(jīng)聯(lián)合在1990年10月發(fā)射了尤利西斯（Ulysses）太陽探測器，這個探測器一直工作到2009年6月。尤利西斯探測器曾經(jīng)在傾斜軌道上對太陽兩極附近的空間區(qū)域進(jìn)行測量，但是尤利西斯探測器距離太陽太遠(yuǎn)而且也沒有攜帶相機(jī)，所以無法對太陽的兩極地區(qū)進(jìn)行拍攝。

太陽軌道探測器在借助引力彈弓效應(yīng)進(jìn)入高橢圓軌道后，可以在計劃中的5年的任務(wù)期內(nèi)，到達(dá)與太陽赤道面的傾角超過17°的位置；在根據(jù)任務(wù)需要而可能進(jìn)行延伸的任務(wù)期內(nèi)，傾角最大可以達(dá)到33°。這樣探測器就能實現(xiàn)對太陽南北兩極的觀測和拍攝。同時，太陽軌道探測器的最高速度幾乎可以達(dá)到太陽的自轉(zhuǎn)速度，因此探測器可以在太陽自轉(zhuǎn)時在表面的某些位置上空懸停，進(jìn)而研究太陽的某個特征是如何隨時間演化的。

長期以來，研究人員了解到太陽活動的周期為11年左右，但是描述這一周期的模型卻始終無法與觀測結(jié)果匹配，重要原因就是缺少太陽兩極地區(qū)的數(shù)據(jù)。太陽軌道探測器獲得的信息將成為完善太陽磁場模型的關(guān)鍵拼圖，使研究人員了解驅(qū)動太陽活動的力量。

研究人員通過探測器獲得的數(shù)據(jù)可以研究太陽內(nèi)部的工作機(jī)制，觀測太陽噴發(fā)出的高能粒子并且追蹤這些粒子通過太陽風(fēng)的形式在太陽系中的運(yùn)動，以便更好地理解和預(yù)測空間天氣。太陽風(fēng)暴對電網(wǎng)、航空運(yùn)輸和通信都會造成影響，并且威脅到進(jìn)行太空行走的航天員的安全。發(fā)生在1859年的卡林頓事件被認(rèn)為是有記錄以來最強(qiáng)的太陽風(fēng)暴，此后對人類生活造成嚴(yán)重影響的太陽風(fēng)暴也屢見不鮮。如果能夠進(jìn)行及時、準(zhǔn)確的空間天氣預(yù)報，我們就可以提前關(guān)閉通信設(shè)備、合理規(guī)劃航班以及停止航天員出艙作業(yè)，將太陽風(fēng)暴對我們的影響降至最低。

對此，ESA科學(xué)主任岡瑟·哈辛格（Günther Hasinger）就在ESA官網(wǎng)上表示：“人類一直都很熟悉太陽對地球上的生命的重要性，觀察太陽并且仔細(xì)研究太陽是如何工作的。但同時我們也知道，強(qiáng)大的太陽風(fēng)暴有可能打亂我們的日常生活。到太陽軌道探測器任務(wù)結(jié)束的時候，我們將對造成太陽行為變化以及它對我們地球的影響的背后力量有更多的了解?！?/p>

NASA科學(xué)副主管托馬斯·佐布臣?。═homas Zurbuchen）　也在NASA官網(wǎng)上表示：“太陽軌道探測器將和其他近期正在執(zhí)行的NASA任務(wù)共同研究太陽，我們也將獲得對這顆恒星前所未有的新知識。我們將同歐洲合作伙伴一起進(jìn)入一個太陽物理學(xué)研究的新時代?！?/p>

抵近觀察太陽

太陽軌道探測器的發(fā)射是近年來蓬勃發(fā)展的太陽研究的一個縮影，也是人類探索太陽的最新嘗試。除了合作發(fā)射尤利西斯探測器外，ESA和NASA曾經(jīng)在1995年12月合作發(fā)射了“太陽和太陽風(fēng)層探測器”

（Solar and Heliospheric Obser-vatory，SOHO）。這個探測器發(fā)射時計劃工作2年，但到目前為止已經(jīng)工作了超過24年的時間，任務(wù)期還有可能繼續(xù)延長至2022年。

托馬斯·佐布臣提到的NASA最近在執(zhí)行的太陽任務(wù)中，一個關(guān)鍵部分就是帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）。北京時間2018年8月12日，帕克太陽探測器發(fā)射升空飛向太陽。這個探測器的任務(wù)是對日冕和太陽風(fēng)進(jìn)行研究，從而加深我們對于太陽物理的認(rèn)識。探測器以現(xiàn)年92歲的美國天體物理學(xué)家尤金·帕克（Eugene Parker）命名，正是他在1958年前首先提出了太陽風(fēng)理論。

如果任務(wù)一切按計劃順利進(jìn)行，帕克太陽探測器將創(chuàng)造多項第一。比如說，它將成為有史以來距離太陽最近的探測器。在任務(wù)周期內(nèi)，探測器距離太陽最近時的距離只有大約600萬千米，這個距離差不多是此前距離太陽最近的探測器太陽神2號（Helios B）的1/7。由于日冕的范圍從太陽表面向外延伸超過1000萬千米，因此帕克號也將成為首個進(jìn)入日冕層進(jìn)行觀測的探測器。

帕克號在任務(wù)周期內(nèi)能夠24次飛掠太陽，這樣探測器就有足夠的時間來收集數(shù)據(jù)。而在最后3次接近太陽的時候，帕克號的最高速度將會達(dá)到200千米/秒，成為有史以來速度最快的探測器。

在發(fā)射之后這一年多的時間里，帕克太陽探測器已經(jīng)給我們帶來了很多驚喜。北京時間2019年12月5日凌晨，NASA向媒體發(fā)布了研究人員根據(jù)帕克太陽探測器的前3次飛掠得到的首批研究成果，4篇研究論文也于同日發(fā)表在《自然》（Nature）上。2020年2月3日，《天體物理學(xué)雜志》（The Astro-physical Journal）出版了一期以帕克號為主題的增刊，發(fā)表了47篇根據(jù)帕克太陽探測器的觀測數(shù)據(jù)撰寫的論文。這些論文同樣基于帕克號的前3次飛掠，有些是對《自然》上發(fā)表的論文進(jìn)行了補(bǔ)充，有些是新近完成的研究。在這些論文之前，美國空間物理學(xué)家瑪西亞·紐格伯爾（Marcia Neugebauer）撰寫了一篇引言，正是她首次探測到帕克提出的太陽風(fēng)。

在2019年底發(fā)表于《自然》上的這4篇論文中，研究人員報告了初步的研究成果。他們發(fā)現(xiàn)，雖然太空中充滿塵埃，但是在靠近太陽的空間區(qū)域內(nèi)，因為塵埃被加熱成氣體，因此可能存在無塵區(qū)域。數(shù)據(jù)顯示，從距太陽大約1100萬千米處到約600萬千米處，塵埃逐漸變少。真正的無塵區(qū)域可能在距離太陽300萬-400萬千米的區(qū)域，預(yù)計2020年帕克太陽探測器可以到達(dá)這個區(qū)域。

研究人員在地球附近觀測到的太陽風(fēng)是相對均勻的等離子體流。但是太陽風(fēng)到達(dá)地球時已經(jīng)經(jīng)過了1.5億千米的旅程，因此能夠幫助研究人員理解太陽加熱和加速太陽風(fēng)的機(jī)制的很多信息都已經(jīng)被抹掉。帕克太陽探測器在太陽附近的太陽風(fēng)中觀測到了截然不同的情況。等離子體中的磁場會發(fā)生快速的變化，同時有突然而快速移動的物質(zhì)噴射，這些都使太陽風(fēng)同在地球附近時相比更加不穩(wěn)定。這些細(xì)節(jié)是幫助研究人員理解太陽風(fēng)如何在太陽系中傳播能量的關(guān)鍵信息。

其中吸引研究團(tuán)隊目光的一種特別的現(xiàn)象是太陽的磁力線發(fā)生令人意想不到的變化，會在幾秒鐘到幾分鐘之內(nèi)發(fā)生180°　的轉(zhuǎn)向。在《自然》上的一篇論文中，研究人員進(jìn)行了初步的探討，而在《天體物理學(xué)雜志》增刊的一篇論文中，他們對此進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，不過目前還無法解釋這種現(xiàn)象。除了先后發(fā)表的4篇和47篇論文外，更多根據(jù)前3次飛掠獲得的數(shù)據(jù)而進(jìn)行的研究還將陸續(xù)發(fā)表成果。

迎來黃金時代

ESA和NASA在太陽研究領(lǐng)域內(nèi)建立了緊密的合作，各自主導(dǎo)的一臺探測器同其他在軌探測器和地基觀測設(shè)備配合，可以勾勒出一幅更加完整的太陽物理圖像。太陽軌道探測器和帕克太陽探測器有不同的特點。帕克太陽探測器比太陽軌道探測器距離太陽近得多，以更好地研究

太陽風(fēng)的起源，但是帕克號沒有攜帶直接給太陽拍照的照相機(jī)。而太陽軌道探測器攜帶的設(shè)備既能對太陽進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量，又能觀測探測器周圍的空間環(huán)境，這些能夠為解讀帕克太陽探測器的觀測數(shù)據(jù)提供更多的信息。太陽軌道探測器上搭載的相機(jī)可以拍攝帕克太陽探測器的位置，這樣在帕克號測量等離子體時，太陽軌道探測器會在后面為它拍照。從兩臺探測器互補(bǔ)的數(shù)據(jù)中，研究人員可以發(fā)現(xiàn)更多的科學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)一加一大于二的效果。

NASA太陽軌道探測器項目科學(xué)家霍利·吉爾伯特（Holly Gil-bert）表示：“太陽軌道探測器和帕克太陽探測器在這段非凡的旅程中將共同揭開太陽和太陽大氣的最大謎團(tuán)。兩項任務(wù)和它們令人驚嘆的技術(shù)進(jìn)步的強(qiáng)有力結(jié)合將把我們對太陽的理解推向新的高度?！?/p>

研究人員通過對太陽進(jìn)行詳細(xì)研究，不僅可以解答眾多有關(guān)太陽自身的問題，更好評估太陽活動對人類生活和未來太空探索任務(wù)的影響，還有望加深對恒星演化機(jī)制的認(rèn)識。同時，在人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)千顆地外行星的情況下，這些研究還有助于科學(xué)家推測圍繞類日恒星運(yùn)行的地外行星上是否存在生命。毫無疑問，太陽物理學(xué)研究正在進(jìn)入一個黃金時代。