還沒有哪臺“攝像機”能如此地接近太陽！去年6月，“環(huán)日軌道器”將遙測成像儀一一對準太陽，捕捉到了這個“沸騰大火爐”的許多驚人畫面。未來數(shù)年，關(guān)于日冕的謎團也將被揭開。

　　無處不在的“納耀斑”

　　去年7月，“環(huán)日軌道器”（Solar Orbiter）拍攝的首批照片記錄到一大撥“能量噴泉”：

　　這些等離子體可噴射幾百千米之高，但從整個太陽的尺度來看，如此規(guī)模實則微乎其微……

　　“這是這批照片帶來的最大驚喜，”項目成員之一、巴黎-薩克雷大學(xué)空間天體物理學(xué)研究所（IAS）的弗雷德里克·奧謝爾（Frédéric Auchère）解釋道，“這些都是太陽耀斑，與我們在地球上觀察到的那些沒什么區(qū)別，不過大小只有后者的幾百分之一。”天體物理學(xué)家之前就相信“納耀斑”（nanoflare）存在。

　　畢竟，他們需要找到一個傳遞熱量的機制來解釋日冕平均約200萬度的超高溫。而環(huán)日軌道器的極紫外全太陽高解析影像儀（EUI）配有兩臺高分辨成像儀，其解析力達前代探測器的兩倍，終于讓納耀斑現(xiàn)身了。這些耀斑的能量只有標準耀斑的百萬分之一，且持續(xù)時間僅為數(shù)秒。

　　“但現(xiàn)在我們知道了，太陽上每時每處都在產(chǎn)生納耀斑。之后要做的是計算日冕是否僅憑耀斑就能達到這樣的溫度。”弗雷德里克·奧謝爾解釋道，“而且隨著探測器進一步地接近太陽，我們還將尋找規(guī)模更小、數(shù)量或許更多的耀斑?！?/span>

　　躍入日冕內(nèi)部

　　這是太陽表面2000千米之上的色球?qū)拥木跋蟆?/span>

　　這層太陽大氣只有專門的紫外光譜影像儀能看到：原始圖像經(jīng)前文提及的EUI處理后，才轉(zhuǎn)化成了玫紅色。

　　該處溫度約為10000℃，還不算“太高”……從這里往上，溫度會一路飆升：再上升2000千米后的溫度將達到至少100萬攝氏度！“太陽大氣是層層相連的，”弗雷德里克·奧謝爾解釋道，“我們在這個波長范圍內(nèi)嘗試觀測的是下層到上層的能量轉(zhuǎn)移。”尤其要找到納耀斑的源頭，以盡可能精確地算出它們傳遞的能量?！翱上?，這一部分的波段我們沒能調(diào)整好，因為探測器的飛行條件和在地面測試的不一樣。要獲得用足分辨率的圖像還需等待?！?/span>

　　“活捉”太陽風(fēng)

　　日冕的美麗充分展現(xiàn)在下圖中：此處的太陽大氣層不斷向宇宙噴射溫度近200萬攝氏度的質(zhì)子和電子。

　　在可見光下，日冕的亮度只有太陽的數(shù)百萬分之一。因此，探測器搭載的Metis日冕儀配備了一個可遮擋太陽主體的圓形擋板，從而使日冕現(xiàn)身。目前呈現(xiàn)的日冕，其赤道部分比兩極密度更高，這是太陽周期中磁場活動最小期的特征。

　　然而，科學(xué)家最感興趣的還是兩極，因為那里形成的太陽風(fēng)速度可達每秒800千米，他們尚不了解其成因，這也是環(huán)日軌道器的核心探索任務(wù)之一。探測器將在飛行的過程中逐漸與黃道平面岔開，從而破天荒地對太陽的兩極進行拍攝！

　　在此期間，磁場活動理應(yīng)有所增強，因此，耀斑的強度會提升且數(shù)量也會顯著增加。屆時，景象一定非常壯觀。

　　繪制磁場流動

　　這就是太陽的磁場全貌。

　　圖像攝于去年6月18日，圖中的藍色部分代表潛入太陽表面的磁場線，紅色則代表穿出表面的磁場線。

　　“除了右下區(qū)域，太陽目前還是相對平靜的。它正處于其11年周期中的活動最小期。”弗雷德里克·奧謝爾觀察道。測量磁場的“極化和日震影像儀”（PHI）采用的經(jīng)典技術(shù)在地面望遠鏡上運用已久，源自塞曼效應(yīng)：一旦物質(zhì)進入強磁場，它發(fā)出的光會發(fā)生變化。

　　而由于該儀器和太陽史無前例地接近，太陽的磁場波動以前所未有的精度展現(xiàn)出來：直徑只有1000千米的太陽黑子也出現(xiàn)在圖像上。在創(chuàng)紀錄的分辨率之下，PHI揭示了阿爾文波的起源。這種只存在于等離子體中的波會將自身的能量傳遞給日冕，是造成日冕高溫的原因之一。

　　“之前進行的嚴格測試就像是白做了。通常建造這種復(fù)雜程度的機器，總給人一種一定會出錯的感覺……但這次卻是例外！”弗雷德里克·奧謝爾松了一口氣，目前看來，他所參與的歐洲空間局（ESA）“環(huán)日軌道器”項目取得了全面成功。

　　去年6月，也就是這個造價14億歐元的探測器發(fā)射4個月后，它走完了日地平均距離的半程，成為目前最接近太陽的影像設(shè)備。

　　（ESA）“環(huán)日軌道器”

　　“那段時期壓力尤其大，因為儀器校準階段恰恰處于新冠疫情最嚴峻的時期，”此次任務(wù)副科學(xué)干事雅尼·祖格阿涅利斯（Yannis Zouganelis）回顧道，“ESA操作中心都關(guān)門了。研究人員分散在美國和歐洲各地，每個人各自在家完成工作。如此復(fù)雜任務(wù)中的關(guān)鍵階段在這樣的條件下完成，這在航天史上還是頭一回。”

　　盡管如此，探測器最終的表現(xiàn)超出所有人的預(yù)期。第一批照片已經(jīng)出爐：四溢的等離子體，“上躥下跳”的磁場線，大氣湍流……太陽呈現(xiàn)了人類前所未見的細節(jié)?！斑@些照片是在‘飛行接收’階段拍攝的，主要用于測試探測器在極端條件下的運行情況，并非出于科研目的，”弗雷德里克·奧謝爾解釋道，“然而，我們已經(jīng)可以從中整理出一些研究結(jié)果了！”

　　要更好地觀察太陽，除了盡可能地逼近它，別無他法。盡管地球表面有三十多架望遠鏡在全年無休地觀察太陽，盡管自人類開始太空探險以來已發(fā)射二十多臺太陽探測器，太陽內(nèi)部的運行機制仍有許多方面無從了解。

　　而太陽的大氣層，尤其是日冕，有越來越多的研究人員為之著迷。“日冕的溫度比太陽表面高幾百倍。而從常理來說，離熱源越遠，溫度應(yīng)該越低才是?！备ダ椎吕锟恕W謝爾描述道?？茖W(xué)家也不明白太陽風(fēng)是如何從兩極加速至800千米/秒的。“很難在地球上觀察太陽的兩極，因為沒有合適的角度，”奧謝爾遺憾地補充說，“我們是從掠射角進行觀察，所以沒法用多普勒效應(yīng)來繪制風(fēng)速圖?！?/span>

　　200萬攝氏度的大氣層

　　接近一個大氣溫度高達200萬攝氏度的恒星并拍照是極其困難的。哪怕加上了一層前所未有的熱保護層，探測器依然要與太陽保持不小于0.28個天文單位的安全距離，也就是4200萬千米。相比美國國家航空航天局（NASA）于2018年發(fā)射的“帕克太陽探測器”（Parker Solar Probe），環(huán)日軌道器離太陽要遠大約三倍，而帕克太陽探測器沒有攜帶任何攝像頭。

　　“帕克太陽探測器”（Parker SolarProbe）

　　“帕克太陽探測器之于環(huán)日軌道器，相當(dāng)于法拉利之于勞斯萊斯，前者速度更快，某些方面表現(xiàn)更佳……但環(huán)日軌道器配備的儀器更完善?！眱蓚€項目都有參與的法國奧爾良大學(xué)教授蒂埃里·杜多克·德威特（Thierry Dudok de Wit）比較說。

　　環(huán)日軌道器的儀器中，有4個是內(nèi)置的傳感器，負責(zé)實時研究探測器所處的環(huán)境，測量當(dāng)前磁場和撞擊粒子的性質(zhì)，等等。還有6個高清攝像儀，對X射線、紅外線、紫外線及可見光等多種波長都極其敏感。

　　在最接近太陽時，攝像儀可以拍攝分辨率達每像素100千米的圖像，要知道太陽的直徑是地球的109倍，也就是1392000千米，這個精度已然非常驚人！在完成一半行程時，探測器的分辨率就已達到每像素175千米，因而發(fā)現(xiàn)了太陽表面的納耀斑，確定了太陽大氣層的范圍，揭示出太陽風(fēng)的結(jié)構(gòu)以及太陽的磁場波動。“圖像的質(zhì)量在調(diào)整后還能大幅提高?！眳⑴c“極化和日震影像儀”設(shè)計工作的蒂埃里·阿普爾紹（Thierry Appourchaux）承諾道。

　　最重要的是，探測器在幾年后會提供一個前所未有的觀測視角：屆時，探測器將近距離飛越金星，從而逐漸錯開黃道平面，直到抵達能拍攝太陽兩極的位置。之前從來沒有探測器能做到這一點！1990年代“尤利西斯”號（Ulysses）探測器曾前往觀察太陽的兩極，然而當(dāng)時負責(zé)影像部分的NASA突然退出項目。“太陽的兩極是太陽物理學(xué)研究的盲區(qū)之一，”蒂埃里·阿普爾紹指出，“是時候填補這一空白了！”

　　“尤利西斯”號（Ulysses）

　　為什么太陽表面和日冕以不同的速率自轉(zhuǎn)？它的磁場是如何形成的？其演變是否可以預(yù)測？研究人員有一種預(yù)感：這些問題的答案就藏在太陽的兩極之中。“這是一片從未探索過的領(lǐng)域，我們從中可以得知太陽每11年的活動周期是如何變化的。”蒂埃里·阿普爾紹補充道。事實上，當(dāng)兩個太陽周期交替時，下一個周期的磁場會先出現(xiàn)在兩極。

　　“其實，太陽內(nèi)部的一切都是互相關(guān)聯(lián)的，”雅尼·祖格阿涅利斯總結(jié)道，“太陽風(fēng)的物理性質(zhì)取決于日冕的物理性質(zhì)，太陽黑子的物理性質(zhì)由太陽磁場的物理性質(zhì)決定，而后者又受制于太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?！杯h(huán)日軌道器將通過機載的6臺遙測儀器，在有史以來最接近太陽的位置對上述問題進行探索。這顆恒星內(nèi)部最后的秘密很快會揭開。

　　撰文 Beno?t Rey

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