【21世紀天文望遠鏡系列】直衝進太陽日冕的探測器:帕克太陽探測器和太陽軌道器

太陽表面活動的成因對科學家來說一直是個謎團,而太陽活動所噴發出來的高能粒子,有可能會使得地球上的通訊及電子設備癱瘓,也可能危及未來太空人的生命安全。 NASA 與ESA合作發射了帕克太陽探測器 (Parker Solar Probe) 和太陽軌道器 (Solar Orbiter),希望可以更了解太陽的週期活動,以降低太空人與地球上人類的安全威脅。

圖一:左邊是太陽軌道器 (Solar Orbiter),右邊是帕克太陽探測器 (Parker Solar Probe)。圖片是示意圖,並非實際比例。(Image credits: Solar Orbiter: ESA/ATG medialab; Parker Solar Probe: NASA/Johns Hopkins APL)

撰文|徐麗婷

太陽風與日冕是人類一直想要迫切了解的太陽活動,因為它們不旦與地球外的太空天氣習習相關 (太陽風暴劇烈時會影響衛星儀器與地球上的通訊),也關乎著未來太空人與太空儀器的安全。

為了研究導致日冕和太陽風加速與加熱的能量流,並且了解太陽表面電漿與磁場的結構和動力學,美國太空總署 (NASA) 與歐洲太空總署 (ESA) 聯手合作,分別在2018年和2020年發射了帕克太陽探測器 (Parker Solar Probe) 和太陽軌道器 (Solar Orbiter)。它們將為人類提供前所未有的近距離太陽觀測數據 (圖一)。

●NASA的帕克太陽探測器 (NASA’s Parker Solar Probe)

帕克太陽探測器是以美國天文學家尤金·帕克(Eugene Parker)的名字來命名,他於1958年提出太陽風理論,對近代太陽物理學的發展有巨大的貢獻。帕克太陽探測器於2018年8月升空,在它七年的任務期間,預計繞行太陽24次,並利用七次的金星重力助推,來逐漸縮小其繞太陽的軌道半徑。最後在2025年,它將以時速約70萬公里的速度,到達最接近太陽的位置 (距離太陽表面約620萬公里處)。此處因為非常靠近太陽,其單位面積所受到的太陽輻射強度約是地球上的475倍。為抵抗高溫,太陽探測器上裝設有使用「碳-碳複合材料」所製成的隔熱罩,可以抗高溫達1370 °C。

2019年12月,帕克太陽探測器發表了第一次的觀測成果。研究團隊觀測到了上千次猛烈的電磁波 ("rogue" magnetic waves),這電磁波使得太陽風被加速到時速48萬公里,甚至造成當地的磁場反轉,它們也很有可能是讓日冕快速地被加熱至上百萬度的原因。另外科學家觀測到太陽風的橫向速度 (與太陽自轉有關) 比預測值還快上20倍。通常恆星風的速度會影響到恆星的演化速度,但目前太陽的燃燒速度並沒有比預期的快,所以科學家預測恆星的自轉速度將會很快地減慢下來。未來科學家期待可以在更靠近太陽表面的地方觀測到「無塵區」,這個從1928年科學家就預測存在、卻不曾有人觀測到的區域。

●ESA 的太陽軌道器 (ESA’s Solar Orbiter,簡稱SolO)

SolO探測器並不會像帕克太陽探測器這麼靠近太陽 (它距離太陽表面最近點約在4200萬公里處)。因為除了觀測太陽表面活動之外,SolO探測器還有其它特殊的任務,就是觀測太陽的極區。SolO探測器在升空後,會先透過地球和金星這兩顆行星的重力助推,讓探測器軌道半徑縮小至預計的位置。接著再度利用金星的重力助推,將SolO探測器推入傾斜軌道 (從0° 傾斜到 24°),這樣才能使探測器以更佳的位置觀測太陽極區。SolO探測器預測將在2025年首度進行觀測,任務將執行到2030年。

科學家已知太陽活動的起伏週期大約是11年,但研究週期的理論卻一直無法與觀測數據的結果一致。科學家認為其中可能的原因是缺乏太陽極區的觀測數據。藉由SolO探測器提供更全面的觀測數據,科學家才能更深入的研究太陽複雜的磁場週期,進而解開太陽活動的11 年週期之謎。

研究團隊最終希望能夠經由這兩艘探測器聯手觀測到太陽的「日冕巨量噴發」(coronal mass ejections)。科學家想了解這些高能粒子從太陽裡噴發出來的物理機制,進而可以對太陽的活躍期作預測。希望未來可藉此降低太空人與人類的通訊與電子設備所面臨的危險。

 

參考資料:

  1. NASA's Parker Solar Probe mission.
  2. The dawn of multipoint solar science
  3. 太陽的極區是什麼樣子?探測器將揭開奧秘!
  4. 探測器急速俯衝,揭露太陽奧祕
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