SOHO:守望太阳20年

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中微子振荡是当前粒子物理研究的一个热门话题。自20世纪60年代末起,设在美国南达科他州霍姆斯塔克(Homestake)金矿井下的四氯化碳中微子探测器开始测量太阳中微子,并发现中微子实际流量只有理论值的三成左右,由此对太阳(以及所有恒星)的结构模型提出了严峻挑战。因为这些中微子据信是起源于太阳发生核聚变反应的中心区域的,而中微子流量与产能速率直接相关。观测上如此显著的中微子亏缺只能源自两种可能性——要么恒星理论存在重大问题,要么人们对微观粒子的认知有所偏差。后来,日本的神冈、超级神冈以及加拿大的萨德伯里(Sudbury)中微子天文台分别使用与霍姆斯塔克原理相异的纯水和重水探测器,确定太阳释放的电子中微子会振荡成不与四氯化碳起反应的μ子中微子或τ子中微子,解决了太阳中微子亏缺问题,保住了恒星物理的根基,相关研究还荣获2002年与2015年的诺贝尔物理学奖。但是比起中微子振荡屡获大奖的风光,拯救太阳模型的故事还有不太为人所知的另一面——日震学测量。这后一种看似晦涩的方法曾经更为直接地确定,现有的恒星结构理论并不存在根本性的缺陷,所以亏缺问题一定是与中微子本身相关的。更贴近日常的是空间天气。最近这些年来,越来越多的普通人逐渐认识到了太阳活动对人类的生产生活可能带来的重大影响,而大规模太阳风暴的预警和跟踪也频频成为各国政府部门以及公众媒体所关注的话题。不过在日地关系研究日益活跃的今天,又有谁能记得,仅仅在20年前,“空间天气”这个名词才刚刚问世,哪怕职业太阳物理学家对其概念和内涵也还是不甚了解呢?SOHO:守望太阳20年SOHO的艺术图。(图片提供:ESA)所有这些成就,背后的功臣都是同一架航天器——欧洲空间局与NASA合作的太阳和日球层探测器(SOHO)。这颗于1995年12月2日升空、1996年3月进入环绕日地之间第一拉格朗日点晕轨道运行的卫星在不久之前刚刚度过了自己的20岁生日,而且风头仍健。同一颗太阳监测卫星如此长的运行时间意味着,自发射以来,SOHO已经连续跟踪了将近两个太阳活动周的演化,期间它目击着太阳上持续时标短至数毫秒,长至十余年的改变,持续传回的海量观测数据对于太阳物理的价值是无法估量的。为了全方位探索太阳,SOHO携带了12台仪器,分别用于监测日冕活动、日震波以及太阳风粒子的性质。这其中最重要的设备包括用于日冕与过渡区观测的大视场分光日冕仪(LASCO)和极紫外成像望远镜(EIT),还有从事日震学测量的迈克耳孙-多普勒成像仪(MDI)和太阳红外辐射与重力振荡变化监测仪(VIRGO)等。而SOHO身处距离地球150万千米的第一拉格朗日点,除了可以摆脱大气的干扰和吸收,还保证了地球永远也不会遮挡星载仪器的视野。虽然随着技术更先进、精度更高的众多太阳卫星陆续入轨服役,SOHO的大多数载荷已经停止了常规运转,但是这颗卫星的先驱性地位是不容质疑的。甚至可以说,如果不是因为SOHO将太阳狂暴而活跃的一面持续展现出来,就不会有后来的日出卫星、日地关系观测台(STEREO)、太阳动力学观测台(SDO)以及过渡区成像摄谱仪(IRIS),也不会有在不久的将来即将发射的太阳轨道器与太阳探测器+。更不用提的是,这些后继者装备的不少仪器都与SOHO系出同门。从这个意义上看,SOHO虽然并非第一颗太阳观测卫星,但却是所有当代太阳卫星当之无愧的祖师。SOHO:守望太阳20年SOHO的不同仪器观测到的太阳,图中从外到内,依次展示了LASCO眼中的外层日冕、EIT眼中的太阳色球网络,以及MDI测得的太阳内部分层结构。(图片提供:ESA/NASA/SOHO)当然,这样说似乎对更早的太阳观测卫星,尤其是奠基性的轨道太阳观测站(OSO),还有在1991年到2000年间率先覆盖一个完整太阳活动周的阳光卫星有些不太公平。但是OSO的运行时间过短、载荷过于原始粗糙姑且不谈;与阳光相比,SOHO的优势是拥有一系列日震学仪器以及在更适宜日冕和过渡区研究的极紫外(而非阳光的X射线)波段工作的EIT望远镜,而且还携带了阻隔太阳本体辐射的大视场日冕仪LASCO。毕竟现今研发众多太阳卫星的动力就是监测空间天气的实际需要,而对地球周边空间天气影响最大的因素,莫过于大规模日冕物质抛射(CME)。直到SOHO升空之后,对CME现象的常规监测方才变成了现实,CME在空间天气舞台上所扮演的重要角色也才被充分了解。事实上专操此业的LASCO也应该算是SOHO运行时间最长的仪器了,至今仍在照常工作,而且并没有被新兴的太阳卫星完全取代——日出、SDO和IRIS卫星都没有配备日冕仪;STEREO分列地球前后方的轨道特殊,所以其上的日冕仪视角也与LASCO有所不同。而SOHO的其他载荷则因为有了性能更好的接替者,要么像EIT那样,每天只会拍摄少量图像以确保传感器状态稳定;要么像太阳紫外辐射测量仪(SUMER)或MDI那样,早早就进入了休眠状态或者干脆被直接关闭。不过SOHO能够运行至今,绝对是大难不死必有后福的典型——1998年6月24日晚间,这颗完成了最初预定的两年观测、刚刚开始执行扩展任务的卫星突然进入了应急太阳重获(Emergency Sun Reacquisition,简称ESR)模式,也就是说星载仪器因为意外而无法继续锁定太阳。虽说自发射以来,SOHO已经经历过ESR模式很多次,但这回控制人员的操作失误几乎让卫星遭遇了灭顶之灾,姿态失控、通信切断、供电中止、推进剂冻结接踵而来。直到将近一个月之后的1998年7月23日,修复团队才利用波多黎各的305米阿雷西博射电望远镜发送信号、深空探测网金石通信站的70米天线接收雷达回波,敲定了SOHO的确切位置。然后国际合作组开始了为期3个月史诗般的远程修复作业,而SOHO的所有载荷在当年11月初才全部恢复正常,所幸除了LASCO负责观测日冕内区的C1日冕仪之外,其他仪器几无大碍。SOHO:守望太阳20年怀念一下吧,这是LASCO的C1日冕仪留下的为数不多的影像之一,摄于1997年12月22日。(图片提供:ESA/NASA/SOHO)但祸不单行的是,1998年12月,SOHO的3台星载陀螺仪全部失灵,卫星又因此进入了安全模式。幸运的是,任务小组为此成功开发了无陀螺仪控制技术,并在1999年初让SOHO成为第一架毋须陀螺仪就可以实现三轴稳定的航天器。好景不长,2003年5月,SOHO高增益天线的驱动机构又发生了机械故障,天线从此无法有效指向地球,只能瞄准固定的方向。因此到了同年7月中下旬,卫星遭遇了通信中断。而且因为天线的指向系统无法得到修复,倘或不采取其他措施,那么每隔3个月左右,类似的通信中断就都会发生一次,每次持续9到16天不等。作为补救,工程师每个季度都要发送指令,让航天器本体旋转180度,从而将数据损失降到最低。好在这种种意外最终都没能阻挡SOHO求索太阳的步伐,人们对地球所在的行星系中心恒星的认知也因为这颗卫星的长寿而进步良多。20年前,SOHO是带着三个主要问题上路的:太阳中微子亏缺之谜、太阳风的加速过程,还有日冕加热机制。如前文所述,SOHO对中微子亏缺问题的贡献在于借助日震学研究确定太阳标准模型的地位。类比于地球物理学家借助地震波探讨地球结构,日震学是根据太阳的震动来探讨太阳的内部情况——这样的振荡基本是物质对流带来的声波,而只有特定波长/频率的波动才能在太阳内部形成驻波,具体波长则取决于其所穿越的区域以及波动本身的模式,因此也就携带了太阳内部结构的信息。当驻波在太阳表面来回反射时,就会留下可以探测的痕迹,比如日面的径向振荡,或是太阳亮度的波动。相比同期的地面台站,SOHO在日震研究方面的优势在于全天候不受天气干扰的监测,因此灵敏度更高。根据其上MDI、VIRGO以及全球低频率振荡监测器(GOLF)等仪器对太阳表面波动规律的分析,研究者证实,太阳内部的实际结构,特别是核心产能区的形态和大小与经典模型的预言并无太大出入,因此中微子亏缺的根源应该来自这种基本粒子本身,而非太阳理论。所以说如果没有SOHO的日震测量,仅凭中微子探测是不足以打消人们对太阳结构模型的顾虑的。SOHO:守望太阳20年 SOHO:守望太阳20年左:根据MDI以及VIRGO的观测重构的太阳内部声速分布图,其中红色表示太阳内部高于标准模型预期的声速(进而是温度),蓝色表示低于预期。图中最明显的红色轮廓表示中部的辐射区与外部的对流区之间的过渡带,这也是理论相对观测误差最大的区域,不过理论的缺陷可以通过引入对流区底部的剪切层(差旋层)物质混合来加以弥补。在其他区域,理论与实际的误差只有不到0.2%。右:根据MDI的数据推知的太阳内部自转情况,从红色到蓝色,对应的自转速度依次减慢。(图片提供:ESA/NASA/SOHO)(顺便说个题外吐槽一则,关于Michael Andre-Driussi的Lexicon Urthus。1994年该书第一版问世时,作者对中微子亏缺的成因不确定也就罢了,2008年的新版居然还在拿这个问题说事,说什么这一现象表明太阳内部结构有问题,太阳中心可能就是《新日之书》所说的黑洞……好吧,这让人怎样说才好呢?《新日之书》只是设定发生在未来的科幻小说而已,而且技术设定方面实在是软得不能再软,而2008年距离戴维斯跟小柴昌俊因解决中微子问题获得诺贝尔奖都已经过去好几年了。这位Andre-Driussi的科技背景考证不过关,想象力倒是蛮丰富,如果该书有下一版的话,能不能不要再闹这种笑话了?这次就先不去吐书中月球质量与轨道周期这个更大的槽了,嗯嗯。)SOHO:守望太阳20年根据MDI的观测绘制的太阳黑子下方速度分布图,同样以红色表示高速区,蓝色表示低速区。通过测量声波在太阳表面不同区域之间的传播时间,并与标准太阳模型作比较,可以确定日面之下磁场、温度和流场的不均匀分布。上图就是凭借这种技术绘制的。(图片提供:ESA/NASA/SOHO)日震学测量不仅可以确定太阳内部的分层情况,还能通过层析成像技术来研究已有或即将出现的活动区结构,并探讨爆发活动对太阳振荡的影响、全球性磁场构型、甚至是太阳背面的情况,还有测量太阳扁率等看似简单的参数。研究者还根据日震数据发现了太阳表面之下与纬线平行、快慢交错的条带状物质流,各宽10至15度左右,而且普遍朝向赤道地区迁移,它们正对应地面多普勒测量在光球上发现的类似构造。SOHO:守望太阳20年1996年7月9日一起X2.6级耀斑引发的日震波。(图片提供:Kosovichev & Zharkova)太阳风加速机制是在SOHO发射之时困扰太阳研究者的又一个谜。经典的帕克(Parker)太阳风理论无法应付实际太阳风的高速成分。SOHO借助SUMER与紫外日冕光谱仪(UVCS),通过紫外观测,给出了日冕中的开放磁场区域——冕洞中不同粒子的温度和速度分布,发现重离子要比电子温度高得多,速度也更快。考虑磁流体中的高频阿尔芬波通过与带电离子的拉莫尔回旋共振可以使带电粒子加速,具体加速幅度取决于粒子的共振频率进而是粒子本身的特性,这样高速太阳风的起源就得到了合理解释。至于加速过程所需的阿尔芬波,它们应该是逐渐在太阳风中形成,随时需要补充的。再来说说日冕加热。很早之前人们就已经知道,虽然日冕只是稀薄的太阳外层大气,但这里的温度要比致密的可见光表面——光球高上数百倍。考虑太阳的能源位于星体核心而非大气之中,这样的温度分布乍看很不合逻辑,因此必然存在某种过程可以将低温光球/色球物质有效加热到百万摄氏度。日冕加热机制多年以来一直是太阳物理学家所要回答的关键问题之一,虽说SOHO并没有完全将其解决(实际上至今这个问题也没有完美的答案),但却提供了关键的线索——小尺度磁场变化。SOHO:守望太阳20年根据MDI的观测重构的太阳表面小尺度磁力线分布与EIT的171埃数据合成图,可见磁毯与亮区的关系。(图片提供:SOHO/MDI Consortium)首先是在MDI通过谱线的塞曼分裂持续测量的光球磁图上,可见太阳表面有大量小型双极磁流此消彼长,编织成了一道每隔数天就几乎改头换面一次的磁力线网络(很多研究者也称其为“磁毯”)。其次EIT在171埃的铁IX线拍摄的图像表明,在日冕和色球之间的过渡区存在时间上与网络中磁通量同步演化的亮区,而且很多亮区都对应磁网的结点。更进一步,亮区释放的总能量与磁场能相当,其主要损能机制是传导而非辐射。这样看来,发生在太阳低层大气磁网结点处的众多小型磁重联事件可能正是亮区的成因,也是让上方的日冕加热的元凶。实际上,如果将覆盖全日面的磁网所蕴藏的能量全部释放出来,足以应付日冕加热的千倍所需。虽然个中细节尚有待进一步探讨,但SOHO带来的这一发现已经让人们在揭秘日冕加热的道路上向前迈进了一大步。SOHO:守望太阳20年公众投票选出的SOHO二十周年庆生图,这是2002年1月8日发生的一起日冕物质抛射事件,图中结合了日冕仪LASCO与EIT望远镜拍摄的图像。(图片提供:ESA/NASA/SOHO)除了解答以上三大谜题之外,SOHO对太阳物理的最大贡献应该就是日冕物质抛射以及空间天气相关了。日冕物质抛射是太阳大气抛出的巨型云团,速度最快可以达到每秒3500千米,内里夹带着数十亿吨乃至更多的物质;背后的机理则是太阳磁场发生的局域性剧变。抛开对CME物理机制的贡献不论,LASCO在20年间几乎不间断的观测就是迄今为止其他任何卫星都无法替代的。虽然用于研究日冕最内区(合1.1到3倍太阳直径)的C1日冕仪在1998年10月中旬LASCO重启后不久就发生了滤波器故障,后来也没有完全恢复,只能断断续续地工作(所以原本分配给它的通信带宽转而拨给了负责外围日冕监测的C2和C3),不过因为3台日冕仪视场有所重叠,C2可以向内覆盖到2倍太阳直径处,另外EIT等仪器也能够关注太阳的周边区域,所以C1失灵带来的损失在一定程度上得到了弥补。在LASCO传回的长期数据中,人们已经辨认出了超过2万起日冕物质抛射事件。换句话说,此类现象的发生频率高得惊人,只是早些时候大量暗弱的CME都被忽略了,因此它们对地球的影响也被大大低估。CME中的物质带电且裹挟着磁场,当这样的太阳抛出物云团与地球磁层相遇时,后果就是地磁暴;表现在日常生产生活中,轻者只会在高纬度地区的大气中诱发极光,重者则要威胁到卫星导航、短波通信、宇航员的舱外行走以及地面电网的安全。好在一起日冕物质抛射发生之后,一般要过上两三天才能影响到地球。SOHO除了使用日冕仪为人们及时提供太阳爆发的预警之外,还可以利用第一拉格朗日点介于日地之间的有利位置,在CME事件抵达地球之前先期测量其特性,让相关人员得以提前评估其可能产生的后果,并做好相应的准备。因此在SOHO入役之后,空间天气预报取得了长足进步。SOHO:守望太阳20年2013年3月5日一起晕状CME的事例。(图片来源:ESA/NASA/SOHO)SOHO更重要的成就是成功判断了晕状日冕物质抛射的走向。在观测上,这类CME事件表现为四向包裹着太阳的光环。晕状CME可以是朝向地球而来的,也可能是背离地球而去的。结合SOHO多台仪器的观测,研究者辨认出了一类与部分晕状CME成协的现象——EIT波(又名太阳海啸)。这类事件最早是在EIT望远镜的数据中发现的,故名。在EIT较差图像(将相邻时刻的两图相减而得)中,EIT波表现为扩展而开的环形亮波,其后伴以扩展的暗区;而在普通的EIT照片中这一现象有时并不很明显。由于EIT在极紫外波段主要观测的是太阳的色球层与低层日冕,而通过绘制较差图,明亮活动区的持续影响被扣除,只剩下了日冕辐射随时间的较微弱变化,EIT波才浮出了水面。进一步的理论研究与观测表明,可以将EIT波视作日冕物质抛射在太阳圆面上的投影,其背后的成因很可能就是CME推动跨越在其上方的闭合磁力线逐个向外拉伸的过程,而不是真实的波动。由此,只要一起晕状日冕物质抛射伴以EIT波发生,它就一定是朝地球冲来的,需要提前采取防范措施;反之大可无视。SOHO:守望太阳20年1997年5月12日的EIT波较差图像,这是此类事件中史上最著名的一起。原始照片由SOHO的EIT望远镜在铁XII线(波长195埃)拍摄,这一波段尤其适合研究宁静日冕。(图片来源:Chen 2011)除却CME,SOHO对耀斑、日珥等其他太阳活动的监测也一直在进行着,它的日冕诊断光谱仪(CDS)在各种活动区中发现了高速运动形成的谱线位移,说明了活动区的动态变化。除此之外,SOHO还发现了多种新现象,如太阳龙卷风(solar tornado)以及全球性的日冕波动。而宁静太阳的过渡区中还存在大量爆发式暂现事件,SOHO借助MDI获取的磁图与SUMER的过渡区紫外观测,并联合其他地面太阳望远镜的观测,最终确认这些事件理应是与磁重联过程相关的,宁静太阳也并不平静。但是太阳活跃归活跃,其总的辐射输出却一直很稳定——根据VIRGO仪器的长期测量结果,在活动极大和极小年之间,太阳亮度的变化只有0.1%。SOHO:守望太阳20年在温度10万开尔文的太阳过渡区发生的一系列爆发式事件。图中的事件总计持续10分钟,据信它们源自小尺度的磁重联过程。其中每张小图覆盖的都是日面上长84000千米(相当于太阳直径的16分之一)的同一块区域,红色和黄色部分对应太阳米粒组织对流元的边界,而边界的扭曲变形是由磁重联引发的双极等离子体喷流导致的。(图片提供:ESA/NASA/SOHO/The SUMER team, Max Planck Institute for Solar System Research, Katlenburg-Lindau, Germany)在太阳风方面,除了解决了高速太阳风的加速谜题之外,SOHO还开展了一系列太阳风成分和同位素比例的实地测量,发现了太阳活动极小年前后太阳风中氢原子的各向异性分布,并根据太阳风模型和中性氢的测量,估测了星际等离子体的密度——其相应的等离子体频率正与旅行者号探测器发现的截断频率相对应。SOHO还联合太阳风观测的又一老手——1994年发射的太阳风探测器WIND一道考察了太阳风传播过程中的扰动。此外卫星的太阳风各向异性探测仪(SWAN)还顺便观测了百武、海尔-波普、维尔塔宁(Wirtanen)等彗星的水分生成情况,还有彗星周围由水分子瓦解形成的巨型氢云,其尺度最大甚至可以达到太阳本身的数十倍——作为比较,哪怕海尔-波普这样的大型彗星,其彗核宽度也不过数十千米而已。说到彗星观测,其实SOHO入役后最大的意外就是摇身化作史上最成功的彗星猎手,至今它发现的彗星总数已经超过了3000颗。这其中的绝大多数彗星都是由业余爱好者在实时公布的LASCO日冕仪图像中找到的,又有相当一部分属于掠日彗星。要知道在20年前,已知的彗星总数不过900颗,而掠日彗星更是少之又少。之所以能有这样的惊人发现,是因为LASCO可以时刻关注太阳周围的变化,同时又遮挡了太阳本身的眩光,这样就可以让湮没在太阳光辉之中的暗弱小天体轻松暴露出来。而在ISON等彗星冲向太阳终结一生的过程中,也少不了LASCO的一路追随。与在日冕仪中频频露面的掠日彗星相比,更有趣也更加奇特的是SWAN找到的C/1997 K2彗星:它只能发出H-α辐射,并不能借助其他手段观测。SOHO:守望太阳20年SOHO发现的第3000颗彗星,也就是插图中的十字丝所指的暗斑。这颗彗星的辨认者是来自泰国的瓦拉查特·汶普洛德(Worachate Boonplod)。(图片提供:ESA/NASA/SOHO)20年过去了,在此期间,太阳活动起起伏伏,两度经历了峰年。SOHO凭借持续的监测为太阳研究树立了典范,成为了一颗改变太阳物理学游戏规则的卫星,也大大促进了普通人对太阳活动的了解。现在它的服役时间已经达到了最初预期的10倍,而且并无引退之意。只是与20世纪90年代中期不同,如今SOHO在守望太阳的岗位上并不孤单,因为还有一系列衍生于此的后继者与之相伴。SOHO:守望太阳20年SOHO的EIT望远镜在20年里记录下的太阳活动起伏,表现为太阳极紫外铁XV线(波长284埃)辐射的消长,这一波段可以很好地反映活动区的演化。(图片提供:ESA/NASA/SOHO)预定于2018年发射的太阳探测器+是个尤为值得一提的后继者。这颗环绕太阳运行的卫星将抵达距离太阳表面区区600万千米的地方,以空前的精度探查日冕。这一区域正处在LASCO的C2日冕仪覆盖范围之内,如果SOHO能够继续工作到太阳探测器+升空之时,在LASCO的影像中不知会不会映出后者的身影? 注:本文为约稿,即将发表于《天文爱好者》杂志2016年5月号,请勿转载。特别感谢南京大学天文与空间科学学院陈鹏飞教授在本文写作过程中提供的指导和帮助。内容来自 Bo Zhang's Homepage

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