【南方周末】对太阳我们了解得还不够

本文插图
太阳轨道探测器可以在太阳自转时在表面的某些位置上空悬停。（ESA/图）
2020年4月24日是哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）升空30周年纪念日，全世界的天文学家和天文爱好者都在庆祝这个具有里程碑意义的日子。 30年来，哈勃太空望远镜成果丰硕，彻底改变了我们对宇宙的认识。
但在以哈勃太空望远镜为代表的一批探测器望向宇宙深处的同时，我们其实在很长时间里都缺乏对太阳的足够了解。太阳作为太阳系的母星，对人类、地球上的其他生命以及整个太阳系都有着不可替代的意义，因此研究太阳的形成、演化和对地球的影响就成为天体物理学家的重要任务之一。不过，伴随两台太阳探测器在2018年和2020年先后发射，我们有望以前所未有的水平了解这个对人类来说最重要的天体。
探索太阳两极
北京时间2020年2月10日，由欧洲空间局（ESA）领导并和美国国家航空航天局（NASA）合作的太阳轨道探测器（Solar Orbiter）在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空。如果任务进展顺利，太阳轨道探测器将成为首个拍摄太阳南北极地区图像的探测器，从而帮助研究人员获得对太阳更加完整的了解。
太阳轨道探测器是ESA正在实施的名为“宇宙视野2015-2025”（Cosmic Vision 2015-2025）的科学计划的一部分。发射这样一个探测器的想法最早始于1982年。 2000年， ESA同意启动这个项目并在2003年进行了再次确认。 ESA在2012年同制造商签订合同。探测器的制造前后花费了6年时间，并经过1年多的测试。 ESA最早计划在2017年把探测器发射升空，后经过几次推迟最终确定在2020年。
太阳轨道探测器重1800千克，翼展18米，携带10种科学设备，包括磁力计、高能粒子探测仪和太阳风层成像仪等。依靠这些设备，探测器可以实现两种研究模式：一种是测量探测器附近的空间环境，包括电场、磁场和粒子等；另一种是从远处拍摄太阳的图像，包括太阳大气和物质的喷流。探测器距离太阳最近时同太阳的距离只有大约4200万千米，届时将位于水星的轨道内。特制的隔热板可以经受500℃高温的考验，先进的隔热技术将对探测器携带的科学设备进行保护。
探测器成功发射后，项目团队首先会对其进行为期大约3个月的调试，以验证探测器携带的科学设备都能正常工作。此后，探测器还需要将近2年的时间才能进入环绕太阳的工作轨道，这个特殊的轨道是探测器能够拍摄太阳南北两极图像的关键。
日地平均距离约为1.5亿千米（1AU），这个距离远小于地球到冥王星的距离。但是，把探测器向太阳发射并不比把探测器向冥王星发射更简单。地球时刻都在高速绕太阳旋转，从地球上发射的探测器需要减速，不断降低轨道，才能接近太阳。这个减速过程通过探测器自身的发动机无法完成，因此在接近太阳的过程中，探测器不是径直飞向太阳，而是首先需要3次借助行星的引力弹弓效应实现减速。这3次分别是2020年12月和2021年8月依靠金星的引力弹弓效应减速以及2021年11月依靠地球的引力弹弓效应减速。
【【南方周末】对太阳我们了解得还不够】在利用地球的引力弹弓效应减速后，探测器将在2022年首次飞掠太阳，此时距离太阳的距离约为日地距离的1/3 。在随后的任务期内，探测器还会6次利用金星的引力弹弓效应不断接近太阳，并将自己从太阳系的黄道面中甩出，进入环绕太阳的高椭圆轨道。
在太阳系中，行星环绕太阳运行的轨道基本都在一个平面内，这个平面和太阳自身的赤道面只有很小的夹角。因此，地球上的望远镜或者卫星上的望远镜对太阳进行观测时，对太阳赤道地区有比较多的了解，对太阳的南北极地区的观测则非常有限。 ESA和NASA曾经联合在1990年10月发射了尤利西斯（Ulysses）太阳探测器，这个探测器一直工作到2009年6月。尤利西斯探测器曾经在倾斜轨道上对太阳两极附近的空间区域进行测量，但是尤利西斯探测器距离太阳太远而且也没有携带相机，所以无法对太阳的两极地区进行拍摄。