作者:程智 來源: 發布時間:2022-11-1 22:59:8
先進天基太陽天文臺項目及其展望

 

   中國首顆綜合性太陽探測專用衛星“先進天基太陽天文臺”(Advanced Space-based Solar Observatory,ASO-S)即“夸父一號”于10月9日發射升空。從7月項目面向社會公眾征集名稱,便可以窺見這項工作的重要性。

   為什么這個項目如此重要呢?這是因為項目所發射的衛星與我國此前發射的各種衛星意義都不太一樣。盡管ASO-S也是一顆科學研究衛星,投入不算很大,但是其或許將成為我國航天科技事業發展中的一個里程碑。

   太陽對于地球的重要性不言而喻。從名稱上來看,ASO-S的功能就是為了觀察太陽的各種參數,實際上,其主要目的是觀察太陽的“一磁兩暴”。

   “一磁”指的是太陽的磁場。太陽的磁場可以分為全局磁場和局部磁場兩部分。全局磁場與地球磁場基本上是一樣的,但是太陽與地球又不一樣,因為它是一顆氣體星球——氣體的溫度非常高,呈現等離子體的狀態,具備強烈的導電能力。因此,太陽活動時,如果有電流在其中流動,就會產生局部磁場,太陽耀斑、日冕物質拋射等,都與太陽的局部磁場有直接聯系。另外,我們經常在網上看到的所謂太陽黑子爆發,就是由于太陽磁場導致太陽某一個區域核反應受到限制,該區域溫度明顯低于周圍溫度,這樣在觀察結果上就形成了所謂的黑斑,也就是太陽黑子現象。

   “兩暴”其中之一指的是太陽日冕爆發。太陽日冕爆發過程中會拋射出大量物質,這些物質的溫度非常高。另一“暴”則是指太陽耀斑。太陽耀斑與太陽黑子正好相反,由于某種機制導致太陽某個區域出現更加強烈的核聚變反應,從而形成更加明亮的光斑。這個更加明亮的區域的溫度自然也就明顯高于周圍的區域。

   太陽黑子、日冕物質拋射和耀斑呈現明顯的周期性。ASO-S趕在今年發射,就是為了能趕上太陽爆發的第25周峰。太陽的劇烈活動對地球氣候變化產生巨大的影響,因此,研究太陽“一磁兩暴”的重要性不言而喻。

   當然,我們在地面上也可以觀察太陽,不過由于地球大氣層的影響,在地面觀察太陽沒有在太空中觀察效果好。

   ASO-S則能夠在沒有干擾的太空環境中更好地觀察太陽的活動。該衛星將在地球上空近地點720公里左右的軌道上運行,這個軌道被稱作太陽同步軌道,與地球同步軌道相對應。

   綜上所述,單就項目本身的意義而言,ASO-S已經是里程碑式的了,它意味著我國航天科技事業在火星探測項目的基礎上,又向前邁出了一大步。今后,我們不僅可以探索太陽系的行星,還將直接探索太陽的各種規律。

   這將如何影響我國航天事業的發展呢?根據美國國家航空航天局(NASA)的經驗,我猜測今后我國的空間探索技術將主要朝兩個方向發展。

   第一個方向是飛得更遠,即飛行器在太陽系中越飛越遠。目前,太空中離地球最遠的人造探測器是NASA的旅行者1號。最近幾個月,旅行者1號還發回了一些比較特殊的數據,反映出其在不斷調整姿態,但本身工作看起來依然正常。這似乎反映出旅行者1號進入了一個人類從未進入過的時空領域后,面臨著各種新問題。但截至目前,沒有更多信息反映出NASA已經解決了這個問題。目前,NASA已經開始關閉旅行者1號和2號上更多的儀器以減少能量消耗,這樣或許可以讓兩個探測器的工作壽命延長到2030年,期望它們在空無一物的星際空間中,再發回更多重要的信息。

   另一個發展方向就是飛得更近,即今后的飛行器將越來越靠近太陽。

   在整個太陽系中,太陽的質量是最大的,因此太陽周圍的引力也是最強的,這意味著太陽附近是研究引力以及暗物質的最佳場所。目前人類的引力理論主要有兩個,一個是牛頓引力理論,另一個是愛因斯坦廣義相對論。牛頓引力理論已經獲得了非常廣泛的應用;而愛因斯坦廣義相對論則適用于更宏觀、更強的引力場研究。正是因為廣義相對論所研究的對象太過特殊,因此現在能夠獲得支持的證據比較少。如果我們能夠更靠近太陽,那么就可以獲得一個相對比較強的引力環境,然后在其中獲得支持廣義相對論成立的更重要、更關鍵的證據。比如,在廣義相對論中,一個重要的證據就是水星的近日點進動問題。但水星近日點的進動并不是很明顯,因為水星的橢圓軌道偏心率比較小。如果我們能夠發射一顆人造行星,使其近日點達到比水星近日點還要近的位置,遠日點則在更遠的位置,這樣人造行星的偏心率就會比較大,這時就可以看到更加明顯的近日點進動效應,從而為證實廣義相對論獲得更高精度的證據。

   另外還有一個很有趣的現象,就是目前人類所測量出來的引力常數是非常不穩定的。是什么原因造成引力常數有如此大的差異?其中有一些理論,包括著名物理學家狄拉克都曾設想,引力常數可能就是不斷變化的。引力常數到底是不是變化的,在地球這樣比較弱的引力環境中,是難以體現出來的。但如果在太陽附近的強引力場中,相信這種引力常數變化的效應就會呈現出來。一旦我們獲得了足夠證據,證實引力常數是變化的,那一定會帶來一場物理學方面的巨大革命。

   另一個是對暗物質的探測。目前很多暗物質探測儀器設備都在地球上,然而地球附近暗物質產生的效應太弱了,因此經過很長時間的探索,人類還是一無所獲,但天文學的觀察證據又強烈表明暗物質是存在的。現在看來,人類要獲得暗物質存在的直接證據,可能還是需要到太陽附近去尋找,這也是我們需要飛得離太陽更近一些的原因所在。

   目前,人類已經發射了3顆離太陽很近的水星探測器。第一顆是1973年發射的水手10號探測器,其獲得了有關水星的一些非常重要的參數。第二顆是2004年發射的信使號水星探測器,它進一步探測了水星以及水星周圍空間環境的很多重要參數。一些科學家也利用信使號對廣義相對論理論進行了研究和分析。第三顆水星探測器是歐洲和日本合作發射的貝皮•科倫布號水星探測器,于2018年10月成功發射,預計將為人類帶來更為詳細的水星資料。

   當然,這些探測器都是研究行星的,并非直接用來研究廣義相對論和暗物質的。如果要直接研究引力理論以及暗物質,還是需要依靠人造行星。實際上,早在上世紀50年代末,蘇聯的月球1號就已經成為了一顆人造行星。后來人類又陸續發射了幾顆用來研究太陽的人造行星,證明人造行星技術已經相對成熟。美國在2018年發射的帕克太陽探測器與我國的ASO-S功能類似,不過它現在就是一顆人造行星。帕克太陽探測器的成功為我國今后發射類似的人造行星提供了寶貴的經驗。

   人造行星還可以進一步釋放探測器,比如出現日冕物質拋射時,人造行星可釋放一顆帶有攝像頭的探測器直接飛向拋射流,從而完整記錄下日冕拋射的各種參數?梢韵胂蟮氖,這一畫面一定非常震撼,讓人類有一個了解太陽能量爆發的直觀體驗!

 

 

《科學新聞》 (科學新聞2022年10月刊 航天)
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