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      1. 逐日未來時:探測器陸續升空 我國步入“探日”時代

        2021-11-05 11:20:09來源:齊魯晚報
        來源:齊魯晚報 西安報業全媒體編輯:雷瑩 2021-11-05 11:20
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        從古至今,太陽引發了人類太多思考,我們對這顆耀眼的恒星充滿好奇:它為什么會發光?是永恒存在的嗎?結構是什么?會對地球造成哪些影響?為了回答這些問題,科學家不僅發展出了相應的理論基礎,還建造或發射了各種探測器,試圖揭開太陽的神秘面紗。

        10月14日,我國首顆太陽探測科學技術試驗衛星“羲和號”成功發射,實現了我國太陽探測零的突破,標志著我國太空探測正式步入“探日”時代。

        太陽這個與人類存續息息相關的恒星,還有哪些未解之謎?未來科學家們又將怎樣探索太陽?

        齊魯晚報·齊魯壹點

        記者 于梅君

        “羲和號”成功發射

        我國步入探日時代

        “太陽對地球演化和人類文明發展的作用不可或缺,同時,太陽對地球的影響也無所不在,主要體現在太陽爆發產生大量帶電高能粒子,對地球電磁環境造成嚴重破壞,其中尤以太陽黑子、耀斑和日冕物質拋射對地球電磁環境影響最為顯著?!眹液教炀謱Φ赜^測與數據中心主任、高分辨率對地觀測重大專項工程總設計師趙堅介紹,太陽活動周期約11年,2021年至2022年是人類有記錄以來第25個太陽活動周期的開始,全世界又進入太陽研究新的高峰期。

        “探測和研究太陽活動,提出應對措施,可以降低或規避對地球的不利影響。我國作為航天大國,及時開展太陽探測活動,十分必要,不能缺席?!壁w堅說。

        此次發射的“羲和號”衛星全稱是太陽Hα光譜探測與雙超平臺科學技術試驗衛星,主要科學載荷為太陽空間望遠鏡。

        “羲和號”整星重量508公斤,設計壽命3年,運行于517公里高度、傾角98度的太陽同步軌道,該軌道將經過地球的南北極,能24小時連續對太陽進行觀測?!棒撕吞枴毙l星實現了國際首次太陽Hα波段光譜成像的空間探測,將填補太陽爆發源區高質量觀測數據的空白。

        此外,“羲和號”衛星采用了在軌試驗超高指向精度、超高穩定度的新型衛星平臺技術。與傳統衛星平臺相比,“羲和號”衛星平臺的指向精度、姿態穩定度均提高了2個數量級?!棒撕吞枴备咝阅芗夹g衛星平臺在軌試驗成功后,是世界上首次將磁浮技術在航天器上進行工程應用,將大幅提升我國空間觀測技術水平。

        “夸父”明年發射

        未來我國將立體探日

        自上世紀60年代以來,全世界已發射了70多顆太陽觀測衛星,主要集中在美國、俄羅斯、日本等國家,聚焦于太陽黑子、耀斑和日冕物質拋射的觀測研究。

        2006年10月美國發射世界第一對孿生太陽觀測衛星——日地關系觀測平臺,對太陽黑子爆發時進行了三維成像;2009年1月,俄羅斯發射了“科羅納斯”太陽探測衛星,探測太陽內部結構及太陽活動對地球氣候、大氣層及生物圈的影響;2018年美國“帕克”太陽探測器發射升空,近距離對太陽結構進行探測。

        我國目前已制定兩個太陽探測計劃,“羲和號”實現了我國太陽探測破冰之旅,“夸父”計劃則是研制發射先進天基太陽天文臺衛星,揭示太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質拋射(一磁兩暴)的形成及相互關系,計劃于明年發射。

        此外,我國正在論證后續太陽探測發展計劃,科學家們希望按照在黃道面內多視角探測、大傾角太陽極區探測和太陽抵近觀測“三步走”進行實施,進一步了解太陽的構造,確定太陽活動的三維結構。

        根據設想,我國將在2035年前后,通過兩次發射任務(分別為一箭三星、一箭兩星),構建起環繞黃道面(地球繞太陽公轉的軌道平面)、太陽極區的全方位立體探測體系,實現對太陽全球和日地空間的立體探測。

        太陽的三大

        未解之謎

        關于太陽還有很多未解之謎,最主要的有三大科學問題。

        第一個問題:太陽活動為什么會有周期性?太陽活動現象的原動力來自太陽上的磁場,其強磁場結構的表征是太陽黑子,也是太陽光球上的相對低溫區域。太陽黑子有著11年的周期,其長期變化和地球氣候密切相關,例如氣候學上的小冰河時期(約1300年—1850年間),太陽活動顯著弱于后續年代的平均水平。

        1908年,美國天文學家海耳發現太陽黑子是太陽上的強磁場,第一次證實了宇宙天體中磁場的存在,也揭示了太陽活動源自太陽磁場。然而,太陽磁場是如何產生的?其主導的太陽活動為什么會有周期性變化?這些問題被稱為太陽活動周期起源之謎。

        第二個問題:日冕為什么那么熱?和地球一樣,太陽也可從內到外分成很多層次,分別為日核(溫度約1500萬℃)、輻射區(約700萬℃)、對流區(約200萬℃)、光球(數千℃)、色球(數千至數萬℃)、日冕(百萬℃)??梢钥吹?,太陽的溫度結構和地球越往外溫度越低明顯不同,太陽大氣最外層的日冕呈現反常的高溫狀態,這違背了熱力學第二定律,如何解釋日冕的加熱機制是天體物理的重大科學難題。

        第三個問題:如何對太陽活動的日地物理傳播過程和行星際效應進行實時觀測和預報?1989年3月,狂暴的日冕物質拋射引發極強的地磁爆,導致加拿大魁北克省大范圍停電。太陽探測主要目標是為了更好地理解日地系統、預測空間環境變化及其產生的社會影響。因此,描繪太陽活動在日地空間傳播和影響的完整物理圖像,是當代日地物理最前沿的科學問題。

        在三大科學問題中,磁場都起著至關重要的作用。但受到目前觀測能力、技術手段等局限,人類對太陽磁場的了解還不夠深入。這就牽出天體物理的另一個基本問題:恒星大氣中的纖維化輻射磁對流過程。

        太陽探測的

        未來競爭焦點

        在美歐成功實施了里程碑性質的PSP(帕克太陽能探測器)和Solar Orbiter(太陽軌道飛行器)以后,國際相關領域的探測熱點聚焦到了太陽探測的最后一塊空白——太陽極區的探測。

        無論天基還是地基觀測,當我們身處黃道面的時候,由于投影效應和臨邊昏暗效應等,我們對太陽極區的觀測非常困難。這種困難相當于兩個個頭差不多的人看不見對方的頭頂。目前人類尚未實現過對太陽極區的正面成像觀測,Solar Orbiter雖然偏離了黃道面,但其偏離角度只有二十多度,即便任務末期計劃提高到34度,兩者的高度差也不足以看清另一個的頭頂。

        研究表明,太陽極區的磁場和流場在太陽活動周演化中起著至關重要的作用。完善這方面的觀測數據,從而完成有關太陽活動周起源的“發電機模型”的最后一塊觀測拼圖,有望為這一科學問題的研究帶來重大突破。

        由于這些重大科學機遇,國際空間探測的下一個競爭熱點必然是太陽極軌探測。

        目前,歐美的空間科學發展規劃都提出了太陽極軌探測的設想。我國早在10年前的《月球與深空探測》規劃中就提出了開展太陽極軌探測的項目建議。目前,我國在這方面預研處于和國際齊平乃至略微領先的地位,再考慮到美歐PSP和Solar Orbiter剛實施不久,中國具備了率先實施的絕佳機會,而項目一旦成功,必將使我國的空間太陽探測實現快速超車。同時,在太陽活動周起源、高速太陽風起源等重大科學問題研究中搶占先機。

        【編輯:雷瑩】

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