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飞向太阳的“勇士”——Parker Solar Probe卫星


    太阳系行星际空间并不是空无一物,而是充满了超音速的等离子体,观测表明这些等离子体主要起源于太阳,由太阳向外以很高的速度流动,称为太阳风。太阳磁场被这些向外流动的等离子体携带到行星际空间,形成行星际磁场。这些流体合起来组成了行星际介质。无论太阳是平静还是“生气”爆发耀斑、日冕物质抛射(CME)等现象,太阳风是一直向外吹的,行星际介质是一直存在的。背景太阳风主要由冕流低速太阳风和冕洞发出的高速太阳风组成,而以CME为代表的太阳爆发活动进入行星际空间后,会给背景太阳风带来扰动,形成扰动太阳风。

    人类探索宇宙深处的脚步留下了不同位置的太阳风的观测。1959年,苏联LUNIK卫星首次进入行星际空间。1962年,美国宇航局(NASA)的金星探测器Mariner II探测到持续的太阳粒子流。不久之后一系列的实验实现了对太阳大气流经地球的详细测量,尽管有些不是持续的测量。在五次阿波罗(Apollo)登月计划中,宇航员在太阳风中将金属箔片展开并带回实验室进行研究。当前对太阳风的观测中,HeliosVoyager飞船分别是离太阳最近和最远的卫星:1974年发射的Helios-1卫星,轨道最近距离太阳0.31个天文单位(AU),1976年发射的Helios-2卫星,轨道最近距离太阳0.29个天文单位;而Voyager-1201710月已经距离太阳140AU,仍在前往更远的地方。探索火星和金星的卫星PVOMessenger也提供了多个日心距上的太阳风观测。

    在与地球息息相关的日地连线上,有数颗卫星位于地球前方1500万千米的L1点,提供对太阳风持续不断的观测,比如上世纪九十年代发射的ACE卫星、Wind卫星、SOHO卫星和2015年发射的DSCOVR卫星。OMNI数据库就利用多颗卫星观测,能提供超过五个太阳活动周的1AU处太阳风观测数据,供科学研究和应用。还有一些卫星的观测可以探索日球层的三维结构,比如从黄道面以外、甚至太阳高纬度区域进行观测的Ulysses飞船,以及分别位于黄道面上地球轨道的前方和后方的STEREO-ASTEREO-B卫星。

1    Ulysses飞船探测的不同年份的太阳风环境(From McComas et al. (2008).)

图中红色和蓝色曲线表明磁场方向

        多个空间探测器的观测表明,太阳风在不同方向的速度和磁场分布并不是均匀的。有的太阳风速度比较快,有的则比较慢,不同快慢的太阳风究竟来自何方,是否太阳上的不同区域产生了不同类型的太阳风?太阳磁场在这里扮演了什么角色?太阳风的速度为何这么快,它里面的那些粒子是如何从亚音速被加速到超音速的,具体的物理机制是什么样的?太阳时时刻刻都在向外吹着太阳风,然而太阳风的起源和演化仍有很多未解之谜。

        2018年,将有颗备受科学界瞩目的卫星即将发射,进一步去观测太阳和太阳风。它就是美国宇航局(NASA)的Parker solar probePSP)卫星,它是以太阳风科学的先驱Parker命名的,Parker1958年就预言了太阳风的存在并提出了相关理论,后来的观测也证实了他的推断。这是NASA第一次以健在人物命名航天器,可见Parker的伟大。PSP卫星将于2018年发射,在发射93天后,预计就将到达距离太阳0.16AU,即35.7个太阳半径处;借助金星的引力在88-168天内到达距离太阳0.0459AU,即9.86个太阳半径,这是人类靠近太阳最近的时候;预计在2018-2025年期间,将在0.25AU范围内绕行太阳24圈。为了承受高达1400摄氏度的炽热和辐射,PSP将带上厚达12厘米的碳复合盔甲,勇敢地奔向太阳。

2   Parker Solar Probe卫星

        PSP的观测可以追踪加热和加速太阳日冕和太阳风的能量流动,研究太阳风源的等离子体和磁场的结构和动力学特征,探索高能粒子的加速和运动机制。虽然当前科学家认为耀斑和激波是高能粒子加速的主要机制,但在1AU处的观测却无法证实这一点。PSP能近距离观测到耀斑、日冕物质抛射,以及激波,有助于研究和证实高能粒子加速机制,对太阳爆发活动的研究也具有重要的意义。

3    Parker Solar Probe轨道

 4   近距离探测对太阳爆发活动研究的重要意义

        PSP将挑战更近距离观测太阳,它的观测记录可以回答一些长期以来困扰着天文学家的难题,有助于揭示太阳的运行机制,了解太阳与行星、地球的关系,提高人类预测太空天气的能力,改善会影响地球生命的主要天气事件,以及协助太空卫星和宇航员的观测。

    让我们期待PSP成功飞近太阳,为人类解开更多太阳及太阳风的谜团。


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