人类将首次拍下太阳两极的照片，这可能和每个人都密切相关

　　今天中午，在大洋彼岸的黑夜中，美国宇航局（NASA）和欧洲航天局（ESA）联手开发的 「太阳轨道飞行器」（Solar Orbiter），从卡纳维拉尔角空军基地发射升空。

　　这个飞行器最终的目的地，就是带给地球黎明的太阳，它将首次拍下太阳两极的图像，开启人类探索太阳的一段新征程。

　　有史以来离太阳最近的相机，将首次拍下太阳两极照片

　　尽管人类对太阳的观测已经有很长一段时间，不久前世界最大的太阳望远镜还公布了首批高清太阳照片，但所有观测太阳的成像仪器，都只能拍到黄道面（ecliptic plane）角度的太阳，从未观测过太阳的两极。

　　所谓黄道面，就是地球以及其他行星围绕太阳公转的平面。而太阳轨道飞行器则要脱离黄道面，以鸟瞰视角对太阳两极进行观测。

　　其实这并不是第一个尝试飞越太阳两极的飞行器，1990 年美国宇航局（NASA）和欧洲航天局（ESA）就曾合作，将尤利西斯号太阳探测器（Ulysses）发射升空，尤利西斯号在 2009 年退役前，曾绕太阳飞行了三圈。

尤利西斯号太阳探测器.

　　虽然尤利西斯号也曾掠过太阳两极，但与太阳的最近距离比日地距离还要远，而且它只携带了原位仪器（in situ instrument），只能测量飞船周围的太阳风情况。

　　而这一次的太阳轨道飞行器，在最近的时候距离太阳表面只有 2600 万英里（约 4184 万公里），这将比距离太阳最近的行星水星（5800 万公里）更接近太阳，这也是观测太阳的理想距离。

　　通过太阳轨道飞行器携带的 4 台原位仪器和 6 台遥感成像仪，人类将首次拍下太阳两极的照片，这也是有史以来最接近太阳的相机。这次任务 NASA 副项目科学 Teresa Nieves-Chinchilla 表示：

我们能够绘制出原位仪器观所「触摸」到的太空环境，以及遥感成像仪「看到」的太阳。

　　不过飞行器要逃离黄道面也不容易，这需要更大的能量，太阳轨道飞行器将利用地球和金星的引力，将自己弹射到两极的观察区域。

太阳轨道飞行器的预计飞行轨道. 图片来自：ESA

　　这其实是利用了航天动力学中的「弹弓效应」，通过行星或其他天体的相对运动和引力改变飞行器的轨道和速度，以此来节省燃料、时间和成本。

　　这样的场景在科幻电影《星际穿越》就曾出现，电影中飞船燃料不足，宇航员只能通过多次飞近一颗引力巨大的黑洞，从而获得了加速度以抵达下一个星球。

　　据 NASA 介绍，在太阳轨道飞行器的设计寿命为 7 年，将在太阳赤道高 24 度的倾斜面上运行，3 年后倾斜将达到 33 度。

　　飞行器靠近太阳后，面临的则是超高温的考验。要知道被太阳高温炙烤的水星，白天温度就到达 430 ℃，而比水星更接近的太阳的飞行器，所要承受的温度更高，在这样的高温下，太空探测器和众多仪器往往难以正常工作。

太阳轨道飞行器的隔热罩.

　　因此太阳轨道飞行器采用一种定制的钛隔热罩，上面覆盖了磷酸钙涂层，可以承受超过 900 华氏度（约 480 ℃）的高温，其中 5 个遥感成像仪测将通过隔热罩上的窥视孔观测太阳，隔热罩后的仪器的温梯度能在保持在零下 4 华氏度到零下 122 华氏度之间。

　　正如欧洲航天局的科学家 Daniel Müller 所说，这将进入一个未知的世界。

　　太阳两极背后的秘密，可能和每个地球人都有关系

　　为什么要千里迢迢给太阳两极拍照？因为在太阳两极发生的事，可能对太空中的航天器、宇航员。乃至地球上每个人都会造成不小的影响。

　　这要从太阳黑子说起，1843 年德国天文学家 Samuel Heinrich Schwabe 发现太阳黑子存在周期性的变化。在为期 11 年的周期里，太阳黑子数先增加，然后逐渐下降至初始水平，而太阳的两极的磁场，每 11 年也会翻转一次。

太阳耀斑. 图片来自：NASA

　　在太阳磁场翻转前夕，太阳黑子活动会达到顶峰，太阳风暴也出现的最为频繁。

　　当这些太阳风暴袭击地球，会对地球磁场产生扰动，不仅会对干扰 GPS 和通信卫星，威胁太空中宇航员的生命，地球大量电子设备和基础设施也可能受到波及。

　　在 1859 年 9 月，地球曾遭遇了有记载以来最强烈的太阳风暴，全球多地都出现了绚丽的极光，而同时欧洲和北美的电报系统却彻底瘫痪，电报机自动起火，甚至有发报员遭遇电击，史称「卡灵顿事件」

图片来自：Amino Apps

　　类似的事情发生了不止一两次。1989 年的 3 月的一次太阳风暴，就让加拿大魁北克省电网瘫痪，全省停电超过 9 个小时。同时美国新泽西州的塞伦核电站也严重损毁。

新泽西塞伦核电站损毁的变压器. 图片来自：Modern Survival Blog

　　在这个高度依赖电网、卫星导航和各种电子设备的的现代社会，太阳风暴给我们造成影响将更加巨大。根据美国科学院 2011 年的一份报告，如果发生超级太阳风暴，第一年就可能给美国带来 1-2 万亿美元的损失，而风暴后的重建时间可能需要 4-10 年。

　　要避免太阳风暴对我们造成影响，首先就要搞清楚其形成的原理。科学家认为，太阳风暴的形成可能与太阳黑子 11 年的活动周期有关，但科学家一直无法搞清楚为什么这个周期是 11 年，NASA 科学家 Holly Gilbert 认为，观测太阳两极磁场的变化或许可以找到答案。

太阳两极对于我们进行精确建模来说尤为重要，为了能预测太空天气事件，我们需要一个非常精确的太阳全球磁场模型。

　　与帕克太阳探测器合作，破解更多未解之谜

　　太阳轨道飞行器是 NASA 是近年来对内层太阳系的第二次主要探测任务，2018 年 8 月，NASA 斥资 15 亿美元打造的帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）就开始了逐日之旅。

　　帕克太阳探测器是有史以来距离太阳最近的探测器，也是人造航天器首次抵达恒星大气层。在 1 月 29 日，帕克太阳探测器才刚刚完成了第四次近日飞行，最近的时候距离太阳表面只有 400 万英里（约 640 万公里）。

　　而在不久的将来，太阳轨道飞行器会与帕克太阳探测器协同工作，帕克太阳器在近距离对太阳粒子进行采样，而太阳轨道飞行器则在更远处拍摄太阳的图像，科学家会将两者的观测结果整合到一起。

　　此外当两个探测器偶尔处于统一水平线上时，还会在不同的时间点对同样的太阳磁场线或太阳风流束进行测量。NASA 科学家 Nieves-Chinchilla 表示，两个探测器一同进入轨道是航天史上一个巨大里程碑。

这是太阳物理学家数十年来一直在等待的事情。在未来十年，两者必将共同改变这一领域。

　　跟帕克太阳探测器，当太阳轨道飞行器完成任务后，不太可能再返回地球了，除了隔热罩的部分都会被燃烧殆尽，只剩下隔热罩绕着太阳旋转，数千年后，这会成为人类探索太阳的印记，就像果壳网编辑 @Ent_evo 畅想的那样：

也许当智慧生命第二次在地球上诞生的时候，会注意到太阳边上的一个明亮小物体。也许这将是伊卡洛斯飞得离太阳最近的一次。

　　题图及部分配图来自：NASA