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Feb. 21 2020

太陽的極區是什麼樣子?探測器將揭開奧秘!

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  • 藝術家想像圖:歐洲太空總署(ESA)太陽軌道飛行器在最接近太陽時,面向太陽的場景。ILLUSTRATION BY ESA/ATG MEDIALAB

  • 2020年2月,科學家公布了由井上建太陽望遠鏡拍攝的太陽影像,這是迄今為止最高解析率的太陽表面影像。太陽內部熱量向表面傳遞時的劇烈運動,產生了照片中的巨大胞狀結構。IMAGE BY NSO/NSF/AURA

日前發射升空的歐洲「太陽軌道器」(Solar Orbiter,簡稱SolO)充滿歷史意義,它將推動太陽研究邁入全盛的黃金時期。

藝術家想像圖:歐洲太空總署(ESA)太陽軌道飛行器在最接近太陽時,面向太陽的場景。ILLUSTRATION BY ESA/ATG MEDIALAB

藝術家想像圖:歐洲太空總署(ESA)太陽軌道飛行器在最接近太陽時,面向太陽的場景。ILLUSTRATION BY ESA/ATG MEDIALAB

美國時間2月9日晚間,一架火箭劃過了佛羅里達州的夜空,上頭搭載著一艘史無前例的太陽探測器。

雖然太陽每天都在我們的天空中燃燒發光,但人類卻只能從單一的角度──太陽系行星運轉的平面──觀察這顆母恆星的正面。歐洲太空總署(ESA)的太陽軌道器(簡稱SolO)即將改變現況:這艘太空船將對太陽進行詳細勘查,讓我們得以一窺前人未曾見過的太陽極區。

搭載了十種科學儀器的SolO探測器將從這個奇特的地點進行觀察,揭密太陽是如何將稱為「太陽風」(solar wind)的高能量粒子流拋往我們的行星系統。SolO也將研究是什麼控制了長度為11年的太陽磁場週期,由於磁場強度會上下變化,太陽活動也產生無法預測的波動。

「我們根本不理解這點。」SolO計畫科學家、ESA的丹尼爾.穆勒(Daniel Müller)說:「我們希望太陽軌道器能夠填補這個知識上的空缺。」

↑↑↑↑↑101科學教室:太陽
太陽讓所有的行星都繞著它運行。如果太陽徹底消失,會發生什麼事呢?讓我們跟著影片一起認識位在太陽系中心的這顆恆星,為何太陽對我們所知的所有生命來說這麼重要呢?

揭開驅動太陽磁場的機制不僅是個學術問題,還能改善地球的公眾安全。太陽磁場活動的變化會導致強烈的高能量太陽爆發,導致電網癱瘓、衛星故障,甚至讓身處外太空的人類陷入致命危險,但目前我們尚無法完善地預測太陽爆發可能影響地球的時間點和強度。

「弄清楚這種在太陽大氣內部區域發生的基本物理過程,對我們真的有很大的幫助。」

美國航太總署(NASA)SolO計畫科學家霍莉.吉爾伯特(Holly Gilbert)表示。

SolO探測器發射的時機,正值太陽活動監測的熱潮。它只是目前好幾個新太陽探測計畫中的一項,這些新計畫讓我們有機會進行更多紮實的科學探索。

「對太陽物理學家來說,現在真是個絕佳時期。」美國航太總署太陽物理學部門(heliophysics division )主任尼古拉.福克斯(Nicola Fox)表示:「有這種共同合作進行的探測計畫推動,對我們能進行的科學研究數量帶來了非常、非常巨大的變化。」

太陽研究的黃金時期

你可能已經發現,太陽研究目前正在科學研究的熱頭上。

地面的井上建太陽望遠鏡(Daniel K. Inouye Solar Telescope,簡稱DKIST)在1月底發布了迷人的太陽表面特寫影像。以影片的方式呈現這些影像,可以看到像是拼綴而成的太陽表面緩慢地冒泡,其中每個電漿胞的大小與德州相當。

2020年2月,科學家公布了由井上建太陽望遠鏡拍攝的太陽影像,這是迄今為止最高解析率的太陽表面影像。太陽內部熱量向表面傳遞時的劇烈運動,產生了照片中的巨大胞狀結構。IMAGE BY NSO/NSF/AURA

2020年2月,科學家公布了由井上建太陽望遠鏡拍攝的太陽影像,這是迄今為止最高解析率的太陽表面影像。太陽內部熱量向表面傳遞時的劇烈運動,產生了照片中的巨大胞狀結構。IMAGE BY NSO/NSF/AURA

2019年12月,NASA的帕克太陽探測器(Parker Solar Probe)也發布它近距離接近太陽時獲得的第一批觀測成果。此外,《天文物理期刊》(Astrophysical Journal)也在2月初出版的特刊上,刊登該探測任務的另外48篇研究。這些重要的發現,包括首度觀測到「兇猛」(rogue)電磁波、首度發現無塵區緊鄰於太陽周圍的可能證據、首度觀測到原始的粒子噴射,甚至還驚人地發現太陽風的橫向速度遠超過預期,這可能會對太陽的演化產生重大影響。

帕克太陽探測器一邊衝向由數百萬度高溫氣體與粒子形成、環繞著太陽的日冕,一邊進行這些觀測。在七年的任務期間,它每繞太陽一圈,就會離太陽愈近,最終將抵達離太陽熾熱表面約640萬公里處。

帕克太陽探測器將會和新抵達的SolO探測器合作探測太陽,雖然SolO探測器不會抵達距離太陽那麼近的位置。

SolO探測器發射後,將會先後飛掠過地球和金星,透過這兩顆行星的重力助推,拋往距離太陽更近的地方。在接下來的五年裡,金星的重力會將SolO推入傾斜軌道,使探測器得以一窺太陽極區,預計探測器將在2025年首度觀測太陽極區。

「SolO每次繞行的軌道會愈升愈高,所以某種程度上來說,我們將一點一滴地逐漸揭露太陽極區的奧秘。」吉爾伯特表示。

這兩艘探測器,將聯手進行高解析度觀測這個太陽系內最有活力也最極端的環境。它們會一前一後地繞太陽運行,觀測最原始的太陽風或高能粒子如何從太陽無止境地噴發出來,以及它們在呼嘯進入太陽系後的演變過程。此外,SolO探測器上還搭載著一臺相機,可以拍攝帕克號太陽探測器飛掠的位置。

「這將是非常棒的聯手出擊,」吉爾伯特表示:「我們能夠藉此得到完整的資訊,帕克太陽探測器會在另一臺探測器(SolO)拍攝某一團電漿時,實際量測那團電漿。」

當這兩艘探測器繞著太陽運行時,位於夏威夷茂伊島(Maui)哈萊亞卡拉火山(Haleakalā)山頂的井上建太陽望遠鏡,所能看到的太陽表面卻比它們都還要更加清楚,部分原因可能是這架望遠鏡的主鏡口徑達3.96公尺,甚至比哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)都還大上許多。

「井上建太陽望遠鏡能完成我們在太空中永遠也無法達成的任務,」穆勒表示:「它在可見光頻譜中的解析力可說是前所未有。」

哈佛-史密森尼天文物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的太陽物理學家凱利.科瑞克(Kelly Korreck)也是帕克太陽探測器上某項儀器的首席研究員之一,她表示,太陽終於得到發光發亮的機會,而這絕非偶然。這些新的觀測站──無論是位在地面上或是太空中,都是累積了數十年的規畫與科技發展才得以迎來的巔峰,若沒有這些努力,絕對無法實現今日的科學探索。

「科技發展已經趕上來了,」科瑞克說,「所以我們現在才能有這些酷又大膽的探索任務。」

SolO的獨特科學任務

同時,SolO探測器對太陽極區的觀測,將為太陽的磁場循環之謎填補關鍵的空缺。多年來,科學家已經知道太陽活動會在11年的週期內有規律地起伏,但描述這種活動週期的理論卻一直無法符合物理觀測數據。穆勒解釋,原因之一在於我們缺乏太陽極區的詳細觀測數據。尤利西斯號(Ulysses)探測器曾在1990年代中期至2000年代初觀測過太陽兩極,但當時它與太陽的距離非常遙遠,且探測器上並沒有搭載相機。

「我們其實根本不知道太陽極區是什麼狀況,我們真的需要這樣的數據,來解開磁場週期中的一些的謎題。」穆勒說:「那確實是我們看不見的區域。」

有了更全面的整體觀測,科學家應該能更深入探索這些複雜的磁場週期,以及能量在太陽表面顯露的方式。磁環(Magnetic loops)與磁波有可能變得威力十足,像是新發現的「兇猛磁波」(rogue waves)或許就能解釋,為什麼日冕的溫度比太陽表面還要來得更高。

在太陽表面上方形成弧狀的磁環,經常也是太陽閃焰(solar flare)形成之處。有時候這些閃焰也會向太空拋出稱作「日冕巨量噴發」(coronal mass ejections,簡稱CME)的超音速超帶電粒子團塊。萬一其中有個粒子團飛向地球,那將帶來災難性的後果。

1859年,有場特別強勁的CME癱瘓了電報系統,使地球的夜空閃耀著如同白晝一般明亮的極光。科學家希望能夠儘早預測的,就是類似那次「卡林頓事件」(Carrington Event)的太空天氣。

如有果有充分的預警,我們就能事先關閉容易受到破壞的衛星和電網,剛好位在地球軌道或深太空之中的太空人,也能提前避難。

「我們可以減輕災害程度,但我們真的需要知道太陽會在何時變得活躍,又是如何與地球磁層產生交互作用。」科瑞克表示:「隨著我們愈來愈依賴衛星通訊,人類又將登陸月球和火星,成為了在太空旅行的物種,我們的確需要理解太空人和我們自己的電子設備所面臨的危險。」

此外,對太陽運作機制的深入理解,還能幫助我們預想繞著類日恆星運行的行星上,是否有存在生命的可能性。

「對我而言,這件事還有很酷的一面,很簡單:太陽本身就是一顆恆星。」福克斯表示,「我們正在了解恆星如何運作,這對理解其他恆星系統內的恆星也相當有幫助。」

延伸閱讀:NASA發射探測器,與太陽近距離接觸!探測器急速俯衝,揭露太陽奧祕

APR. 2020

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