航天器直接观测太阳极地区域：11年之谜待解，保证不融化
北京时间2月10日消息，美国东部时间2月9日晚上11:03（北京时间2月10日12:03），由欧洲空间局制造、1800公斤重的“太阳轨道器”（Solar Orbiter）航天器，搭乘一枚阿特拉斯5火箭，从美国卡纳维拉尔角空军基地腾空而起。
53分钟后，按照预定计划，太阳轨道器与火箭成功分离，这标志着火箭发射取得了成功。但对于太阳轨道器，这只是“万里长征迈出了第一步”。
图2：太阳轨道器靠近太阳之旅
还需要在太空中飞行逾5年时间，太阳轨道器才能首次“看到”太阳极地区域。12月26日，太阳轨道器将飞越金星，利用引力弹弓效应，借助金星加速，进入更靠近太阳的轨道；明年，它将再次借力金星和地球，使自己更靠近太阳——与太阳的距离比水星更近。
2025年2月18日，再次飞越金星将使太阳轨道器与黄道面倾角达到约17度，首次“看到”太阳极地区域。2029年6月飞越金星时，它与黄道面倾角将增加到33度。
在10年任务期内，太阳轨道器将围绕太阳飞行22圈。
不同寻常
这里我们先来了解一个概念：黄道面。不要想歪了，它跟“黄道吉日”不是亲戚，是正经的科学。对于黄道面，百度百科的解释是：地球绕太阳公转的轨道平面，与地球赤道面交角为23°26'。
图3：黄道面
与地球相似，太阳系中其他7个行星，围绕太阳公转的轨道基本上也在黄道面内，虽然有偏差，但相当小。不光是太阳系，其他任何恒星系也都是这样，这是由恒星生成规律决定的，跟“黄道吉日”没有半毛钱关系。
迄今为止，人类向太阳发射的航天器的运行轨道，也都在黄道面内。这就决定了它们的观测范围：太阳赤道及其两侧——从这一意义上来说跟在地球上观测没有本质的突破。
太阳轨道器的不同寻常之处就在于，它围绕太阳旋转的轨道不在黄道面内，实现对太阳极地区域的观察。
与我们熟悉的地球一样，太阳也是有两极的，但我们在地球上，以及以前发射的航天器难以直接观测到。这就是太阳轨道器的使命：对太阳极地区域进行观测。
科学家希望，太阳轨道器收集的数据和拍摄的图像，能回答有关太阳的一些未解之谜，其中之一是为什么太阳活动周期是11年？
11年之谜？
图4：太阳活动周期对地球有很大影响
在谈到太阳轨道器的使命时，欧洲空间局该项目科学家丹尼尔·穆勒（DanielMüller）说，人类已经观察了太阳400年，发现太阳活动存在周期性，“但我们真心不知道它的周期为什么是11年，这肯定是有原因的”。
每隔约11年，太阳两极的磁场就会发生翻转。
在11年的周期中，太阳活动会经历所谓的“太阳极大期”和“太阳极小期”。“太阳极大期”期间，太阳黑子多；“太阳极小期”期间，黑子就少。
太阳黑子活跃时会对地球磁场产生影响。出现的磁暴现象会使指南针乱抖动，不能正确指示方向；无线通信也会受到严重阻碍，甚至中断一段时间，从而影响飞机、轮船和卫星的安全，甚至会造成电网中断。
数十年来，科学家一直在试图揭开太阳活动之谜，以为地磁暴的爆发做好准备，减少太阳活动对人类的不利影响。
通过观察太阳赤道及两侧附近区域，科学家对太阳磁场有了一定了解。对于太阳磁场翻转过程来说，极地区域是重要的组成部分，科学家希望对太阳极地区域进行直接观测，更好地对太阳磁场“号脉”。穆勒说，“我们希望能可靠地预测太空天气，但对太阳极地区域知之甚少。”
护身铠甲
图5：防热罩
在最靠近时，太阳轨道器与太阳的距离仅为4200万公里，它需要能防热、防辐射。从地球出发后，太阳轨道器需要穿越漆黑一片的太空，忍受低至零下300华氏度的极低温。
保护太阳轨道器不会被高温熔化的，是一块大小为10英尺X 8英尺（3米X 2.4米）、重量为324磅（147千克）的防热罩。防热罩可以耐970华氏度（521℃）的高温。
图6：防热罩可以耐逾521℃高温
防热罩由三层材料组成，最外面一层的材质是钛，能反射热量；中间是热绝缘材料，最里层是蜂巢结构的铝材质。防热罩厚度为15英寸（38厘米）。
防热罩还需要能防辐射，强烈的紫外线辐射，会使防热罩功能退化，失去保护太阳轨道器的作用，这就是防热罩涂有黑色磷酸钙涂层的原因。
太阳轨道器两侧还安装有散热器，为运行的仪器降温，确保它们能正常运行。
以上是太阳轨道器能耐高温的硬件，软件也是非常重要的。太阳轨道器与地球的距离超过8800万英里——相当于日地距离的95%——后，防热罩就必须正对着太阳，给太阳轨道器撑起一把“遮阳伞”。这意味着，地面控制中心必须精确控制其位置和倾斜角度。
搭载哪些科学仪器？
太阳轨道器搭载有10种科学仪器，它们由不同国家研制，有些观测太阳轨道器的环境，例如磁场和太阳风粒子，有些则负责对太阳拍照。
图7：太阳轨道器搭载的10种科学仪器
·SWA（太阳风等离子分析仪）：能够测量离子和电子的特性——其中包括密度、速度、温度。它还可以探测太阳风中的关键元素，例如碳、氮、氧、铁、硅、镁。
·EPD（高能粒子探测仪）：探测超高温、高能粒子的成分、时间和分布。
·MAG（磁力计）：以极高精度测量日球层磁场。
·RPW（无线电和等离子波分析仪）：利用诸多传感器/天线，以极高的时间分辨率测量电场和磁场。
·PHI（偏振和日震成像仪）：对光球层磁场、视线速度和可见光范围的连续强度，进行高分辨率和全面测量。
·EUI（极紫外线成像仪）：提供光球层之上的太阳大气层的图像序列，揭示太阳表面与日冕之间的联系。
·SPICE（日冕环境光谱成像仪）：拍摄极紫外线照片，揭示太阳日冕的等离子体性质。
·STIX（X射线成像光谱仪望远镜）：对太阳发出的4-150千电子伏特的X射线拍照。
·METIS（日冕仪）：同时对日冕的可见光、紫外光和极紫外光拍照。
·SoloHI（太阳轨道器日光层成像仪）：通过观察由太阳风电子散射的可见光，对太阳风中的准稳定流和瞬时扰动成像。
与帕克太阳探测器的天作之合
图8：与帕克太阳探测器合作对太阳进行探测
2018年，美国航空航天局发射了帕克太阳探测器，它的轨道更靠近太阳，是人类制造的有史以来速度最快的航天器。
帕克太阳探测器与太阳可以“亲近”到仅400万英里。相比之下，地球距离太阳9300万英里，太阳系最里圈的行星水星，距离太阳2900万英里。这意味着它需要更耐高温——约200万华氏度。
太阳轨道器与帕克太阳探测器在遥远太空的协作，能够发现太阳表面的一些现象。星期五，欧洲空间局科学主管冈瑟·哈辛格（Guenther Hasinger）在一次新闻发布会上说，“这真心是太空中一次完美、梦幻般的天作之合。”
太阳轨道器的“前辈”们
除太阳轨道器与帕克太阳探测器外，人类还发射过其他航天器对太阳进行探测。
图9：美国航空航天局发射的先进成分探测器
·先进成分探测器：在地球和太阳之间监测太阳风的航天器，由美国航空航天局发射。
·Cluster：由欧洲空间局发射的4个航天器，在地球轨道上调查太阳风与地球磁场的相互作用。
·Hinode：对太阳磁场进行探测的日本航天器。
·太阳过渡层成像光谱仪卫星：在地球轨道上运行的一台小型紫外线望远镜，由美国航空航天局发射，目的是研究太阳大气层底部热量和能量的运动。
·Proba-2：欧洲空间局低成本卫星上的两种仪器，负责对太阳进行观察。
·日地关系天文台：由美国航空航天局发射的两个几乎完全相同的航天器，围绕太阳公转的轨道与地球相同，一个在地球前面，一个在地球后面。
·太阳动力学观察卫星：美国航空航天局发射的一颗地球同步卫星，目的是研究太阳和太阳天气对地球的影响。
·太阳和太阳风层探测器：由美国航空航天局和欧洲空间局联合发射的航天器，自1995年以来一直在对太阳拍照。
·风：由美国航空航天局发射的航天器，目的是观察来自太阳的带电粒子气体。
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