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SOHO:空间观测20载

时间:2018-09-14 11:27 来源:未知 作者:admin

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作者:Sarah Frazier

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Posted: 2015. 12. 2

编译:Melipal  审校:admin(编译版权所有,未经许可请勿转载。)

在进入太空20年之后,ESA与NASA合作的太阳和日球层探测器(SOHO)势头仍旧强劲。SOHO于1995年发射,最初的目标是研究太阳及其对太阳系边缘区域的影响。它为太阳物理学这个科学领域带来了革命性的变化,为超过5000篇科技论文提供了基础。SOHO还扮演了一个预期之外的角色,成为有史以来最伟大的彗星搜索者 它在2015年9月。

(图片提供:NASA s Goddard Space Flight Center)

1995年2月,当SOHO发射之时,太阳物理学这个领域的面貌与今天差异甚远。太阳内部、太阳发出的持续外流物质 太阳风的起源,还有太阳大气的神秘加热过程仍旧是未解之谜。20年过去了,现在我们不仅更好地认识了驱动太阳的理论,我们对太阳行为的整个认知也发生了变化。

来自马里兰州格林贝尔特(Greenbelt)NASA戈达德太空飞行中心的欧空局SOHO任务科学家贝恩哈德 弗莱克(Bernhard Fleck)说: SOHO让公众眼中的太阳从一个不会发生变化的静态天体变成了真实的动态巨兽。

在SOHO发射之时,人们甚至对空间天气的概念都没有很好的了解。现在这个概念的定义包括了一切源自太阳,而且可以对太空或地面科技系统产生影响,并由此影响人类生活和探索的事件或条件。那时,人们认为太阳耀斑是影响地球的主要太阳事件,这部分是由于针对此类事件的观测最常见。多亏有了SOHO的日冕仪(日冕仪是一类照相机,使用不透明的盘面遮掩了明亮的太阳圆面,以更好地观测相对较暗的太阳大气 日冕),现在我们知道,空间天气之谜的一大块拼板实际上是太阳抛射出的巨型云团 日冕物质抛射(简称CME)。虽然在SOHO之前,有两架日冕仪曾经进入了太空,但它们都没能提供同样的观测数量和质量。

来自戈达德中心的美籍任务科学家乔 古尔曼(Joe Gurman)说: 更老的日冕仪忽视了许多暗淡的CME。凭借SOHO的数据,我们认识到,CME要比我们过去认为的常见得多,而且在太阳活动周期内变数也更大。

这张日冕物质抛射(CME)的照片是使用NASA的太阳和日球层探测器(SOHO)在2013年3月5日拍摄的。这一事件是一起晕型CME,在这类事件中,发光的太阳物质云扩展成了包围着太阳圆面的暗淡光环,故名。在SOHO发现了经常与CME密切相关的太阳海啸之前,科学家总的来说是无法分清晕型CME究竟是直接朝向地球而来,还是远离地球而去的。图中右下方的大型亮斑是金星。(图片提供:ESA/NASA/SOHO)

CME是庞大的高速带电太阳物质云团,内里含有埋嵌其中的磁场。当CME与地磁场相撞时,就会导致地磁暴,让地球磁场颤抖摇晃。将地磁暴的后果(如极光,还有GPS或通信干扰)以及地磁场诱发的电流(可以导致电网受损)与太阳上的事件联系在一起的能力使得空间天气的概念成为了主流。

古尔曼说: 凭借SOHO,公众愈发认识到我们生活在一颗磁场活跃的恒星延展的大气中。人们意识到太阳活动可以影响地球。

不过SOHO的日冕仪并非唯一一架改变游戏规则的仪器。在SOHO发射之前,只能凭借亚轨道探空火箭将极紫外成像望远镜(EIT)送入太空,而这种火箭只能采集几分钟的数据。而EIT是唯一一种可以在极紫外波段拍摄太阳图像的照相机,地球大气会阻隔这一波段的辐射,所以在地面进行极紫外观测是不可能的。

来自戈达德中心的空间科学家亚历克斯 扬(Alex Young)说: 在极紫外光下,我们第一次看到了以每小时100万英里的速度泛过太阳的波纹。

很多人将这种发生在太阳表面的海啸称为EIT波,这是以第一次观测到该现象的仪器命名的。它们的发生与CME密切相关。在太阳海啸发生之前,科学家往往无法知道一起CME是直接朝向地球而来,还是远离地球而去,原因是在日冕仪图像中,所有发生在日地连线上的CME都是环绕着太阳的巨型光晕。

这张动画展示了一起太阳海啸(又名EIT波,以第一次拍摄此类现象的SOHO极紫外成像望远镜命名)在2000年7月14日一起太阳耀斑过后从一个活动区向外扩展的过程。太阳海啸经常与日冕物质抛射(CME)一同发生,它们为科学家提供了第一批线索,说明一场在日冕仪图像中沿太阳周围四向扩展的晕型CME究竟是直接朝向地球而来,还是远离地球而去的。(图片提供:ESA/NASA/SOHO)

科学家几乎错过了太阳海啸以及SOHO的其他发现。1998年,由于一个软件故障,这颗卫星在4个月的时间里失去了联络。ESA与NASA的一个联合小组最终在1998年9月让卫星恢复了工作,这部分是由于使用了巨型阿雷西博射电望远镜确定了卫星的位置,并重新发送了指令。对于太阳物理学来说,这场救援行动是至关重要的,原因是SOHO相当一部分科学上的成功要归结为20年近乎持续的观测。

古尔曼说: 凭借SOHO,我们发现在一切可以测量的时标上,太阳都在发生着变化。无论持续时间是20年还是区区几毫秒,我们都可以发现新的现象。

虽然SOHO扩展了我们在太阳物理学每个领域的认知,不过它的发射是为了回答三大主要问题。第一个是:太阳的内部结构是怎样的?

尽管科学家已经提出了理论模型,说明组成距离我们最近的恒星的电离气体层以及复杂的磁场结构是怎样的,但除了观测太阳表面之外,他们并没有办法验证理论。不过SOHO携带了一台仪器,可以绘制太阳的声纳图,由此帮助研究者了解太阳的内部结构。

这帮助人们解决了所谓的太阳中微子问题,也就是地球上观测到的某类太阳中微子数量与太阳理论的预言值不符。

弗莱克说: 精确地测量太阳的内部结构证实了我们关于中微子辐射数量的理论。这证明,太阳中微子问题的成因是对中微子本身而非太阳的错误认识。

随后人们发现,在从太阳出发的旅途中,中微子的类型可以发生转变,由此就解释了预言和观测之间的差异。这项研究获得了2015年的诺贝尔物理学奖。

SOHO要回答的第二个问题是太阳风的加速。太阳持续向各个方向损失着物质,不过物质流(也就是太阳风)的速度要比相对简单的太阳模型预期值高很多。SOHO的观测说明了速度最快的一些太阳风是如何在冕洞中被加速的,这里是太阳磁场向行星际空间开放的区域。

到目前为止,还没有人能够完全回答SOHO的第三个问题:是什么原因导致了太阳大气 日冕中极高的温度?

弗莱克说: 日冕温度高得不可思议,要比下面的几层高数百倍。由于太阳的能源位于中心,在最简单的层面上,我们预期日冕(也就是最外一层)温度应该是最低的。

虽然如众人所知,SOHO的观测为日冕加热问题的众多可能解释提供了基础,但这个问题还没能得到解决。然而NASA计划于2018年发射的太阳探测器+将飞行到较其他航天器更加靠近太阳的地方,来调研这个问题。

太阳探测器+是SOHO及其发现造就的众多任务之一。其他航天器包括NASA的、NASA的、NASA的,以及JAXA与NASA合作的。

扬说: 如果没有SOHO,就不会有SDO,没有STEREO,没有IRIS,也没有日出卫星。SOHO将我们前所未见的东西展示给了我们,随后我们意识到,我们需要更多的太阳监测仪器。

图片提供:NASA/SDO

(全文完)

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