還沒(méi)有哪臺(tái)“攝像機(jī)”能如此地接近太陽(yáng)！去年6月，“環(huán)日軌道器”將遙測(cè)成像儀一一對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，捕捉到了這個(gè)“沸騰大火爐”的許多驚人畫(huà)面。未來(lái)數(shù)年，關(guān)于日冕的謎團(tuán)也將被揭開(kāi)。

　　無(wú)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(gè)太陽(yáng)的尺度來(lái)看，如此規(guī)模實(shí)則微乎其微……

　　“這是這批照片帶來(lái)的最大驚喜，”項(xiàng)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(yáng)耀斑，與我們?cè)诘厍蛏嫌^察到的那些沒(méi)什么區(qū)別，不過(guò)大小只有后者的幾百分之一?！碧祗w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(gè)傳遞熱量的機(jī)制來(lái)解釋日冕平均約200萬(wàn)度的超高溫。而環(huán)日軌道器的極紫外全太陽(yáng)高解析影像儀（EUI）配有兩臺(tái)高分辨成像儀，其解析力達(dá)前代探測(cè)器的兩倍，終于讓納耀斑現(xiàn)身了。這些耀斑的能量只有標(biāo)準(zhǔn)耀斑的百萬(wàn)分之一，且持續(xù)時(shí)間僅為數(shù)秒。

　　“但現(xiàn)在我們知道了，太陽(yáng)上每時(shí)每處都在產(chǎn)生納耀斑。之后要做的是計(jì)算日冕是否僅憑耀斑就能達(dá)到這樣的溫度。”弗雷德里克·奧謝爾解釋道，“而且隨著探測(cè)器進(jìn)一步地接近太陽(yáng)，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(yáng)表面2000千米之上的色球?qū)拥木跋蟆?/span>

　　這層太陽(yáng)大氣只有專(zhuān)門(mén)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(huì)一路飆升：再上升2000千米后的溫度將達(dá)到至少100萬(wàn)攝氏度！“太陽(yáng)大氣是層層相連的，”弗雷德里克·奧謝爾解釋道，“我們?cè)谶@個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)嘗試觀測(cè)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В@一部分的波段我們沒(méi)能調(diào)整好，因?yàn)樘綔y(cè)器的飛行條件和在地面測(cè)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(yáng)風(fēng)

　　日冕的美麗充分展現(xiàn)在下圖中：此處的太陽(yáng)大氣層不斷向宇宙噴射溫度近200萬(wàn)攝氏度的質(zhì)子和電子。

　　在可見(jiàn)光下，日冕的亮度只有太陽(yáng)的數(shù)百萬(wàn)分之一。因此，探測(cè)器搭載的Metis日冕儀配備了一個(gè)可遮擋太陽(yáng)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(yáng)周期中磁場(chǎng)活動(dòng)最小期的特征。

　　然而，科學(xué)家最感興趣的還是兩極，因?yàn)槟抢镄纬傻奶?yáng)風(fēng)速度可達(dá)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(cè)器將在飛行的過(guò)程中逐漸與黃道平面岔開(kāi)，從而破天荒地對(duì)太陽(yáng)的兩極進(jìn)行拍攝！

　　在此期間，磁場(chǎng)活動(dòng)理應(yīng)有所增強(qiáng)，因此，耀斑的強(qiáng)度會(huì)提升且數(shù)量也會(huì)顯著增加。屆時(shí)，景象一定非常壯觀。

　　繪制磁場(chǎng)流動(dòng)

　　這就是太陽(yáng)的磁場(chǎng)全貌。

　　圖像攝于去年6月18日，圖中的藍(lán)色部分代表潛入太陽(yáng)表面的磁場(chǎng)線(xiàn)，紅色則代表穿出表面的磁場(chǎng)線(xiàn)。

　　“除了右下區(qū)域，太陽(yáng)目前還是相對(duì)平靜的。它正處于其11年周期中的活動(dòng)最小期。”弗雷德里克·奧謝爾觀察道。測(cè)量磁場(chǎng)的“極化和日震影像儀”（PHI）采用的經(jīng)典技術(shù)在地面望遠(yuǎn)鏡上運(yùn)用已久，源自塞曼效應(yīng)：一旦物質(zhì)進(jìn)入強(qiáng)磁場(chǎng)，它發(fā)出的光會(huì)發(fā)生變化。

　　而由于該儀器和太陽(yáng)史無(wú)前例地接近，太陽(yáng)的磁場(chǎng)波動(dòng)以前所未有的精度展現(xiàn)出來(lái)：直徑只有1000千米的太陽(yáng)黑子也出現(xiàn)在圖像上。在創(chuàng)紀(jì)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(huì)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(jìn)行的嚴(yán)格測(cè)試就像是白做了。通常建造這種復(fù)雜程度的機(jī)器，總給人一種一定會(huì)出錯(cuò)的感覺(jué)……但這次卻是例外！”弗雷德里克·奧謝爾松了一口氣，目前看來(lái)，他所參與的歐洲空間局（ESA）“環(huán)日軌道器”項(xiàng)目取得了全面成功。

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

　　（ESA）“環(huán)日軌道器”

　　“那段時(shí)期壓力尤其大，因?yàn)閮x器校準(zhǔn)階段恰恰處于新冠疫情最嚴(yán)峻的時(shí)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(mén)了。研究人員分散在美國(guó)和歐洲各地，每個(gè)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?！?/span>

　　盡管如此，探測(cè)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(chǎng)線(xiàn)，大氣湍流……太陽(yáng)呈現(xiàn)了人類(lèi)前所未見(jiàn)的細(xì)節(jié)?！斑@些照片是在‘飛行接收’階段拍攝的，主要用于測(cè)試探測(cè)器在極端條件下的運(yùn)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(yáng)，除了盡可能地逼近它，別無(wú)他法。盡管地球表面有三十多架望遠(yuǎn)鏡在全年無(wú)休地觀察太陽(yáng)，盡管自人類(lèi)開(kāi)始太空探險(xiǎn)以來(lái)已發(fā)射二十多臺(tái)太陽(yáng)探測(cè)器，太陽(yáng)內(nèi)部的運(yùn)行機(jī)制仍有許多方面無(wú)從了解。

　　而太陽(yáng)的大氣層，尤其是日冕，有越來(lái)越多的研究人員為之著迷。“日冕的溫度比太陽(yáng)表面高幾百倍。而從常理來(lái)說(shuō)，離熱源越遠(yuǎn)，溫度應(yīng)該越低才是。”弗雷德里克·奧謝爾描述道。科學(xué)家也不明白太陽(yáng)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(yáng)的兩極，因?yàn)闆](méi)有合適的角度，”奧謝爾遺憾地補(bǔ)充說(shuō)，“我們是從掠射角進(jìn)行觀察，所以沒(méi)法用多普勒效應(yīng)來(lái)繪制風(fēng)速圖。”

　　200萬(wàn)攝氏度的大氣層

　　接近一個(gè)大氣溫度高達(dá)200萬(wàn)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(hù)層，探測(cè)器依然要與太陽(yáng)保持不小于0.28個(gè)天文單位的安全距離，也就是4200萬(wàn)千米。相比美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）于2018年發(fā)射的“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”（Parker Solar Probe），環(huán)日軌道器離太陽(yáng)要遠(yuǎn)大約三倍，而帕克太陽(yáng)探測(cè)器沒(méi)有攜帶任何攝像頭。

　　“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”（Parker SolarProbe）

　　“帕克太陽(yáng)探測(cè)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€(gè)項(xiàng)目都有參與的法國(guó)奧爾良大學(xué)教授蒂埃里·杜多克·德威特（Thierry Dudok de Wit）比較說(shuō)。

　　環(huán)日軌道器的儀器中，有4個(gè)是內(nèi)置的傳感器，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)研究探測(cè)器所處的環(huán)境，測(cè)量當(dāng)前磁場(chǎng)和撞擊粒子的性質(zhì)，等等。還有6個(gè)高清攝像儀，對(duì)X射線(xiàn)、紅外線(xiàn)、紫外線(xiàn)及可見(jiàn)光等多種波長(zhǎng)都極其敏感。

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

　　最重要的是，探測(cè)器在幾年后會(huì)提供一個(gè)前所未有的觀測(cè)視角：屆時(shí)，探測(cè)器將近距離飛越金星，從而逐漸錯(cuò)開(kāi)黃道平面，直到抵達(dá)能拍攝太陽(yáng)兩極的位置。之前從來(lái)沒(méi)有探測(cè)器能做到這一點(diǎn)！1990年代“尤利西斯”號(hào)（Ulysses）探測(cè)器曾前往觀察太陽(yáng)的兩極，然而當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)影像部分的NASA突然退出項(xiàng)目?！疤?yáng)的兩極是太陽(yáng)物理學(xué)研究的盲區(qū)之一，”蒂埃里·阿普爾紹指出，“是時(shí)候填補(bǔ)這一空白了！”

　　“尤利西斯”號(hào)（Ulysses）

　　為什么太陽(yáng)表面和日冕以不同的速率自轉(zhuǎn)？它的磁場(chǎng)是如何形成的？其演變是否可以預(yù)測(cè)？研究人員有一種預(yù)感：這些問(wèn)題的答案就藏在太陽(yáng)的兩極之中?！斑@是一片從未探索過(guò)的領(lǐng)域，我們從中可以得知太陽(yáng)每11年的活動(dòng)周期是如何變化的。”蒂埃里·阿普爾紹補(bǔ)充道。事實(shí)上，當(dāng)兩個(gè)太陽(yáng)周期交替時(shí)，下一個(gè)周期的磁場(chǎng)會(huì)先出現(xiàn)在兩極。

　　“其實(shí)，太陽(yáng)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(yáng)風(fēng)的物理性質(zhì)取決于日冕的物理性質(zhì)，太陽(yáng)黑子的物理性質(zhì)由太陽(yáng)磁場(chǎng)的物理性質(zhì)決定，而后者又受制于太陽(yáng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?！杯h(huán)日軌道器將通過(guò)機(jī)載的6臺(tái)遙測(cè)儀器，在有史以來(lái)最接近太陽(yáng)的位置對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行探索。這顆恒星內(nèi)部最后的秘密很快會(huì)揭開(kāi)。

　　撰文 Beno?t Rey

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