太陽(yáng)探測(cè)：半個(gè)世紀(jì)“追風(fēng)”史

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水手2號(hào)：確認(rèn)太陽(yáng)風(fēng)存在

太陽(yáng)風(fēng)的發(fā)現(xiàn)者尤金·帕克博士于1958年發(fā)表了有關(guān)太陽(yáng)風(fēng)基本性質(zhì)的論文，對(duì)當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)界權(quán)威查普曼所堅(jiān)持的太陽(yáng)靜止大氣理論提出了挑戰(zhàn)。然而，雖然帕克的理論有著相當(dāng)簡(jiǎn)潔明了的物理圖像，但查普曼的學(xué)術(shù)地位阻止了太陽(yáng)風(fēng)理論的廣泛傳播和接受。好在人類太空時(shí)代的來(lái)臨使得科學(xué)家們有機(jī)會(huì)使用航天器去往行星際空間，在太陽(yáng)風(fēng)可能出現(xiàn)的地方進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。1962年，“水手2號(hào)”持續(xù)100多天的觀測(cè)證實(shí)了太陽(yáng)風(fēng)的存在，且太陽(yáng)風(fēng)的性質(zhì)與帕克博士預(yù)言的基本一致，從而使科學(xué)界最終接受了帕克博士的理論、否定了權(quán)威查普曼的理論。

“水手2號(hào)”是美國(guó)“水手計(jì)劃”系列探測(cè)器中的一顆。這些探測(cè)器的任務(wù)是對(duì)金星、火星等其他行星進(jìn)行探測(cè)，獲得這些行星的基本性質(zhì)信息，并驗(yàn)證長(zhǎng)距離星際飛行、借力飛行等技術(shù)?！八?號(hào)”的目的地是金星，其首要目標(biāo)是對(duì)金星的溫度、大氣厚度、行星磁場(chǎng)強(qiáng)度等性質(zhì)進(jìn)行探測(cè)。然而，在從地球到金星的飛行過(guò)程中，科學(xué)家們也沒(méi)有讓這搜探測(cè)器“偷懶”?！八?號(hào)”搭載的磁場(chǎng)和粒子探測(cè)設(shè)備對(duì)行星際空間中的物質(zhì)和磁場(chǎng)進(jìn)行了持續(xù)的探測(cè)。探測(cè)數(shù)據(jù)表明，行星際空間中存在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的高速帶電粒子流，其速度在400公里/秒到700公里/秒間變化，且持續(xù)存在、從未停息，與帕克博士對(duì)太陽(yáng)風(fēng)的預(yù)言的完全一致。在此之前，蘇聯(lián)的月球1號(hào)探測(cè)器和美國(guó)的“探測(cè)者10號(hào)”都曾經(jīng)探測(cè)到過(guò)這樣的粒子流，但它們的探測(cè)數(shù)據(jù)或者物理參數(shù)不夠全面，或者持續(xù)的時(shí)間太短，而“水手2號(hào)”的探測(cè)則給太陽(yáng)風(fēng)的存在帶來(lái)了確切的證據(jù)，由此開啟了太陽(yáng)風(fēng)探測(cè)的大幕。

▲太陽(yáng)神探測(cè)器

太陽(yáng)神A、B：靠近太陽(yáng)的探測(cè)

2018年8月12日發(fā)射的帕克太陽(yáng)探測(cè)器將以前所未有的距離接近太陽(yáng)，解開日冕加熱和太陽(yáng)風(fēng)加速的謎題。而在上世紀(jì)70年代發(fā)射的太陽(yáng)神A、太陽(yáng)神B探測(cè)器，曾創(chuàng)下了帕克太陽(yáng)探測(cè)器之前人造飛行器距離太陽(yáng)最小的記錄。兩艘探測(cè)器均運(yùn)行在環(huán)繞太陽(yáng)的大橢圓軌道上。太陽(yáng)神A的近日點(diǎn)距離為0.311AU，而太陽(yáng)神B探測(cè)器的近日點(diǎn)距離則進(jìn)一步縮小到0.291AU。太陽(yáng)神計(jì)劃由美國(guó)和聯(lián)邦德國(guó)合作完成，聯(lián)邦德國(guó)的空間機(jī)構(gòu)DFVLR出資70%，美國(guó)宇航局出資30%。兩艘探測(cè)器的制造均由德國(guó)公司完成，因此這兩艘探測(cè)器也稱為太空時(shí)代開始以來(lái)第一組在美國(guó)和蘇聯(lián)以外制造的航天器。

太陽(yáng)神A在飛行過(guò)程中遇到了一些麻煩，探測(cè)器的一個(gè)天線沒(méi)有正確展開，導(dǎo)致了對(duì)低頻等離子體波探測(cè)靈敏度的下降。同時(shí)，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)神A的高增益天線在與地球通信時(shí)，會(huì)干擾科學(xué)儀器的正常工作。為了克服這個(gè)問(wèn)題，他們不得不在地面上征用了更大口徑的天線，讓太陽(yáng)神A使用低增益天線與地面通訊。較晚發(fā)射的太陽(yáng)神B與太陽(yáng)神A的設(shè)計(jì)基本相同，但根據(jù)太陽(yáng)神A暴露出的問(wèn)題做了若干改進(jìn)。此外，盡管太陽(yáng)神A已經(jīng)距離太陽(yáng)很近，但工程師們發(fā)現(xiàn)其在近日點(diǎn)的溫度仍然低于設(shè)計(jì)指標(biāo)，因此太陽(yáng)神B在安全工作的前提下進(jìn)一步調(diào)低了近日點(diǎn)的位置。

太陽(yáng)神A與太陽(yáng)神B探測(cè)器對(duì)太陽(yáng)風(fēng)的物理參數(shù)和波動(dòng)性質(zhì)進(jìn)行了成功的探測(cè)。雖然與太陽(yáng)的距離還不足以到達(dá)日冕，但這兩艘探測(cè)器還是發(fā)現(xiàn)了許多在地球附近沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，為太陽(yáng)風(fēng)理論的發(fā)展提供了新的研究素材與證據(jù)。例如，兩艘探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了快速太陽(yáng)風(fēng)和冕洞間的聯(lián)系，還對(duì)太陽(yáng)爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的激波特性隨著日心距離的增加而發(fā)生的變化。此外，由于這兩艘探測(cè)器進(jìn)行科學(xué)探測(cè)的時(shí)間較長(zhǎng)，科學(xué)家們還能利用累積的數(shù)據(jù)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)的一些特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均研究。

▲SOHO探測(cè)器

SOHO與ACE：L1點(diǎn)雙雄

在太陽(yáng)與地球的連線上，存在一個(gè)性質(zhì)特別的日地第一拉格朗日點(diǎn)（L1點(diǎn)）。在地球和太陽(yáng)引力的共同作用下，部署在這里的飛船繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的角速度和地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的角速度一樣。也就是說(shuō)，地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)過(guò)多少角度，飛船就會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)同樣的角度，因此，它始終處于地球和太陽(yáng)連線上的固定位置。對(duì)于使用類似望遠(yuǎn)鏡的儀器進(jìn)行遙感觀測(cè)的探測(cè)器來(lái)說(shuō)，此處能夠在保持與地球不間斷通信的情況下對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行穩(wěn)定連續(xù)的觀測(cè)。而對(duì)于進(jìn)行局地太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)探測(cè)的探測(cè)器，L1點(diǎn)可以說(shuō)是太陽(yáng)風(fēng)暴吹襲地球、造成災(zāi)害影響前的最后一道防線。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)暴到達(dá)L1點(diǎn)、被衛(wèi)星探測(cè)到后，地球尚有幾十分鐘的預(yù)警時(shí)間，可以采取一些最后的應(yīng)急措施。L1點(diǎn)處于地球磁層之外，探測(cè)到的是尚未與地球磁層發(fā)生相互作用的太陽(yáng)風(fēng)數(shù)據(jù)，對(duì)研究太陽(yáng)風(fēng)性質(zhì)、驗(yàn)證太陽(yáng)風(fēng)預(yù)報(bào)模式的預(yù)報(bào)效果有不可替代的作用。

1996年和1997年，SOHO探測(cè)器和ACE探測(cè)器相繼開始在L1點(diǎn)工作，并一直正常工作到了今天。SOHO主要側(cè)重于遙感感測(cè)，能夠通過(guò)不同波段、不同原理的觀測(cè)儀器洞悉從太陽(yáng)內(nèi)部到太陽(yáng)大氣中的秘密。利用太陽(yáng)表面的多普勒現(xiàn)象，SOHO能夠得到光球上的磁場(chǎng)分布，還能通過(guò)太陽(yáng)內(nèi)部P波和S波傳播特性的差異反推太陽(yáng)內(nèi)部的情況。在低層日冕中，形成太陽(yáng)風(fēng)的等離子體能夠釋放出極紫外波段的輻射信號(hào)，SOHO通過(guò)極紫外波段的觀測(cè)可以獲取低層日冕的信息，對(duì)耀斑爆發(fā)做出監(jiān)測(cè)。太陽(yáng)風(fēng)等離子體在日冕中還會(huì)散射太陽(yáng)光，形成白光日冕。在日食過(guò)程中觀測(cè)到的日冕結(jié)構(gòu)就是白光日冕。SOHO上裝備了一種名叫日冕儀的儀器，能夠不間斷地制造人工日食，使科學(xué)家們可以通過(guò)白光日冕的形態(tài)追蹤太陽(yáng)風(fēng)暴傳播的軌跡。

ACE的工作位置雖然和SOHO相同，但裝備的都是進(jìn)行局地探測(cè)的儀器。從ACE部署到L1點(diǎn)開始，科學(xué)家們第一次獲得了同一點(diǎn)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的不間斷的太陽(yáng)風(fēng)局地觀測(cè)數(shù)據(jù)，極大地推動(dòng)了太陽(yáng)風(fēng)和太陽(yáng)風(fēng)暴性質(zhì)的研究。ACE可以測(cè)量飛船所在位置的太陽(yáng)風(fēng)的溫度、密度等參數(shù)，還能測(cè)定太陽(yáng)風(fēng)流和太陽(yáng)風(fēng)所攜帶磁場(chǎng)的方向和大小。在太陽(yáng)風(fēng)中，含量最高的是氫離子，但也有氦離子、鐵離子、氧離子等重離子。這些重離子的含量雖然比氫離子少很多，但他們卻攜帶了非常重要的物理信息。當(dāng)這些重離子離開日冕時(shí)，它們的性質(zhì)便不再發(fā)生改變。因此，通過(guò)對(duì)比局地觀測(cè)中的重離子性質(zhì)和日冕遙感觀測(cè)，科學(xué)家們可以推測(cè)某一時(shí)間觀測(cè)到的太陽(yáng)風(fēng)來(lái)源于日冕中的哪類區(qū)域，從而更清楚地認(rèn)識(shí)太陽(yáng)風(fēng)的傳播演化過(guò)程。目前，ACE已經(jīng)進(jìn)入超期服役狀態(tài)，而美國(guó)已經(jīng)發(fā)射DSCOVR衛(wèi)星到L1點(diǎn)，來(lái)接替ACE的探測(cè)工作。

▲ACE探測(cè)器

▲在不同波段對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行觀測(cè)所獲取的拼合圖像

▲STEREO A 和B探測(cè)器

STEREO和SDO：新世紀(jì)的太陽(yáng)風(fēng)探測(cè)器

2006年，兩顆STEREO探測(cè)器被發(fā)射升空，在利用月球的引力進(jìn)行借力飛行后，這兩艘設(shè)計(jì)制造完全相同的雙胞胎探測(cè)器進(jìn)入了環(huán)繞太陽(yáng)的軌道。STEREO-A軌道位于地球公轉(zhuǎn)軌道的內(nèi)側(cè)，而STEREO-B軌道位于地球公轉(zhuǎn)軌道的外側(cè)，軌道的差異使得兩艘探測(cè)器繞日公轉(zhuǎn)的角速度有所差異。從地球公轉(zhuǎn)方向看，STEREO-A的角速度要大于STEREO-B，因此兩艘飛船相對(duì)地球的距離將逐漸增大，從而能從不同角度觀察太陽(yáng)上的同一現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)更立體的太陽(yáng)遙感觀測(cè)。除了極紫外和白光日冕觀測(cè)儀器外，STEREO還裝備了一種名叫“日球儀”的儀器，能夠分辨出太陽(yáng)風(fēng)暴在距離太陽(yáng)很遠(yuǎn)的行星際空間中傳播的軌跡，從而幫助科學(xué)家們更好地研究和預(yù)報(bào)太陽(yáng)風(fēng)暴。2011年，兩顆STEREO探測(cè)器間的夾角達(dá)到了180度，進(jìn)行了人類歷史上首次對(duì)太陽(yáng)360度的同時(shí)觀測(cè)。2014年，STEREO-B探測(cè)器在一次例行維護(hù)中姿態(tài)失控，重新對(duì)衛(wèi)星恢復(fù)控制的嘗試也沒(méi)有成功，使這顆探測(cè)器目前仍然處于失聯(lián)狀態(tài)。

▲SDO探測(cè)器拍攝的一次X級(jí)耀斑爆發(fā)

2010年，SDO探測(cè)器發(fā)射升空。它和SOHO、STEREO一樣，也是一艘進(jìn)行遙感觀測(cè)探測(cè)器，但和其他遙感探測(cè)器不同的是，SDO并沒(méi)有進(jìn)入環(huán)繞太陽(yáng)的軌道，而是在地球軌道上進(jìn)行觀測(cè)太陽(yáng)的工作。由于與地球的距離較近和新技術(shù)的采用，SDO下傳觀測(cè)數(shù)據(jù)的速率比其他太陽(yáng)探測(cè)器都要高，使得它所搭載的三臺(tái)高精度遙感觀測(cè)儀器的數(shù)據(jù)能夠及時(shí)下傳。SDO的觀測(cè)方式與SOHO和STEREO基本重合，但精度有很大提高，可以使科學(xué)家們看清日冕中一些結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，從而更深入地揭示日冕中的各類物理過(guò)程。