2021-10-21 16:31:11| 人氣33| 回應0 | 上一篇 | 下一篇
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深空時代來臨,探日究竟有何魔力?



10月14日在太原衛星發射中心,中國首顆太陽探測科學技術試驗衛星「羲和號」搭載長征二號丁運載火箭成功升空,開啟種花家自己的太陽探測之路。羲和這個名稱是來自於古代神話中的太陽女神名字,蘊含着「效法羲和馭天馬,志在長空牧群星」的含義。

人類追逐太陽的歷程是從圖騰崇拜時代開始,原始土著人群曾經將太陽當作神明來崇拜,我們自己的古籍中也有關於太陽的記載。世界公認的最早太陽黑子記載是在《漢書五行志》上:「成帝河平元年三月乙未,日出黃,有黑氣,大如錢,居日中央」。


而西方直到1610年,意大利天文學家伽利略首次用望遠鏡看到了太陽黑子,發現黑子是太陽表面非常普遍的現象。

直到今天研究太陽的腳步也沒有停下來,仍然駛向深處。近十年,宇航技術、深空探索取得越來越多的成績,SpaceX成功回收火箭,貝索斯家的藍色起源將自家老闆貝索斯送上太空,載人航天進入商業化階段,航天技術的快速發展下,探日的技術也緊隨其後。

人類追逐太陽的腳步一直向前,為什麼人們熱衷研究太陽?目前研究成果有哪些?在追逐太陽的路上遇到了什麼挑戰和難題呢?


為什麼研究太陽?

我們從書上學到的知識解釋是,太陽是內部不停發生着核聚變,導致不斷發光發熱的一顆恆星,由於太陽的巨大質量使得太陽系其他行星都圍繞着它旋轉。太陽的巨大熱量給了地球生物賴以生存的能量。太陽的引力下,地球的自傳和公轉給了生物生命的多樣性,太陽與地球的生態環境息息相關。

而太陽表面的日冕層,每天都會有無數的帶電粒子流向外輻射,這些帶電粒子流也被稱為太陽風,地球也在它的掃射範圍內,這些粒子流以超過 500 公里/秒的速度源源不斷地向地球襲來,干擾着地球的磁場,破壞地球電離層的結構,造成無線電通信中斷。




這些狂暴的太陽風會給人類的生產、生活帶來巨大影響:

1.狂暴的太陽風對地球周圍的所有衛星都會造成破壞性影響,嚴重干擾衛星內部電子設備的功能運行。

2.太陽風會對在空間站駐留的宇航員身體健康造成影響。

3.太陽粒子影響近地環境地面的電磁信號,一旦被太陽風暴擊中,就會導致地球一些區域的斷電斷網,這些區域內所有和網絡、電力相關的經濟活動和生活停擺,造成的經濟損失巨大。


而對太陽的研究會得以了解太陽風、太陽粒子等與近地環境的相互作用,掌握太陽風的規律與特性對空間天氣和航天器等正常運作提供幫助,降低或規避對近地環境的不利影響。從最早的先驅者號到比水星還靠近太陽的太陽軌道器,國際上已經開展了多項對太陽的探測任務,探索太陽的技術與工具也在這幾十年發生了變化。


從天文望遠鏡到衛星

肉眼觀測外,最早研究太陽的工具就是天文望遠鏡了,人類透過這個工具觀測到了很多行星的運行規律。這些望遠鏡通常配有特殊的濾光片,以遮住太陽光的有害部分。

專業的天文學家運用的是更加先進的儀器觀測太陽表面和日冕層,需要不同光譜的天文望遠鏡。而雷達觀測研究的方向主要是太陽的輻射,聲學干涉測量法等技術來研究太陽的內部。衛星可以探測到太陽的粒子流和無線電頻率等,可遠程觀測到太陽表面和接近地球的空間天氣。


隨着宇航技術的深入發展,運用衛星探測器來觀測太陽是最主要的工具和方式。在太空中進行太陽探測的益處不只是距離變近,範圍也呈數量級增長,由於地球大氣層的存在,大部分的光波段輻射,比如大部分紫外和紅外線、X射線和伽馬射線等高能輻射,在到達地面前就被地球大氣吸收。

如果在地面上對太陽進行觀測,只能觀測到可見光和有限的射電輻射,這樣有限的範圍對於太陽的研究來說比較狹隘。而衛星的優勢在於能夠完全脫離地球大氣的影響,從各個波段研究太陽,從而描繪出一幅完整的太陽圖像。




目前在軌運行的最優秀太陽探測器就是美國NASA在2018年發射的帕克號太陽探測器,它創造了有史以來最接近太陽的人造物體的記錄,其設定的距離是約為610萬公里,這個距離意味着探測器需要進入日冕層,我們知道日冕層的溫度特別高(帕克需要克服1400℃的高溫),其不僅要忍受高溫還要保持內部幾十度室溫的正常運行,這難度和技術令人發麻。

從天文望遠鏡到雷達,再到衛星近距離觀測,都面臨技術挑戰:

1.升空的衛星為了保證高的精確度分析,必須設計多層安全冗餘系統,來保證數據的可靠性避免被太陽風的高能電子流影響。

2.像製作類似帕克或者超越帕克的太陽探測器,在近距離觀測太陽時,必須製備出耐超高溫的材料,探測器的內外都需要這些特殊材料的加持,尋找和合成這些超導耐高溫的材料極其困難。


3.太陽的磁極在一個太陽周期(11年)會有磁極翻轉的現象,需要工作壽命長的衛星對其整個太陽周期的活動進行完整的觀測。

4.不僅要防備太陽風暴的侵襲,太陽探測器也需要設計研發具備防止其他太空高能電離子的干擾和影響。

深空的超遠飛行是航天科技實力的巔峰,尤其是向着太陽這個超高溫火爐飛去,不僅要解決超遠距離的能源問題、複雜溫變環境、太陽風暴……還要從容應對數億公里漫長旅程中隨時出現的危機。可謂是每一秒的距離都充滿意外和困難。在這樣的條件下,這些太陽探測器還是為人類的研究帶來了極大的助益。


逐日到未來

航天技術自1960年開始發展,科學家也開始着手探測和研究太陽活動,目前全世界已經發射了70多顆太陽觀測衛星,主要聚焦於太陽黑子、耀斑日冕等表面物質拋射的觀測研究。我們知道近代的太陽研究主要聚焦的也是對太陽結構、磁場、黑子等進行綜合觀測和近地觀測。因為篇幅問題,只為大家介紹幾個比較有影響的主要成果:

1.歐洲航天局的尤利西斯探測器,為天文學家展現了太陽磁場的變化,曾經人們以為太陽磁極的變化會非常迅速,得益於尤利西斯的觀察,發現了這個過程是一個漸變的歷程,可能需要七年左右的時間來變化。

2.探測器發現太陽黑子的規律,它在太陽活動極小期結束後,太陽黑子的數量會逐漸增加,會在太陽南北半球的35度緯度形成,然後到達赤道最終消失,而日冕的亮點也會從高維向赤道移動。


3.美國發射的世界第一對孿生太陽觀測衛星——日地關係觀測平台,對太陽黑子爆發時進行了三維成像,讓科學家們首次用三維立體的方式來研究太陽周邊環境以及太陽活動對整個太陽系造成的影響。

4.帕克太陽探測器發射升空後,幫助科學家找到了太陽風的源頭,低速太陽風在赤道附近的日冕洞附近出現,速度低於每秒 450 公里;而在太陽極地附近,吹出的是高速太陽風,速度超過每秒 450 公里。太陽風的最終超高速加速原因也被找到,太陽的旋轉轉速也被發現比我們想象中的要快得多,給了科研人員對恆星進化方式的新思考角度。




這是目前相對來說比較新和重要的成果,而太陽的未來探索,會向部署立體探測體系發力,對太陽進行全方位的探索。這個立體的探索方案也是咱們種花家自己提出來的,關於這個立體探測系統方案,未來將在黃道面和極軌的5個點上分別部署探測器,對太陽實現「環抱」觀測。而探測器尤其是極區探測器,需要5年的時間才能飛行到位,航天局給出的時間是大概在2035年前後構建起太陽極區的全方位立體探測體系。

此前關於研究太陽的論文,我們的研究數量雖然很多,但是都建立在其他國家探索太陽的二手資料上面,想要做出影響天文界,引領太陽研究方面的影響力,很難實現。原始創新的成果必須建立在自有太陽探索能力的宇航器的發展,而對太陽的探測立體體系部署和規劃會極大地改變我們在太陽研究學術界的地位:從跟隨者到引領者的巨變,未來可期。

太陽探測器的歸宿是在能量耗盡後,一步步分解墜向太陽,成為宇宙塵埃的一份子。但是人類追逐太陽的腳步永遠也不會停下,關於太陽的謎題,關於太陽風暴的解答,都是人類想要征服的方向,哪怕是渺茫的希望,人類也會頭鐵邁進,直到人類消亡的那刻。(腦極體)


台長: 聖天使

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