太陽風形成機制新解：Proba-3探測到日冕微觀波動

這一直是天文學家和太陽科學家們長久以來的夢想。一項新的任務為太陽研究者們提供了強大的新工具：可以隨時觸發的全日食現象。歐洲航天局于 2024 年發射的 Proba-3 任務，證明了在太空中使用自由飛行式日冕儀的可行性。

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該任務依靠兩艘協同工作的航天器來完成：其中一艘名為“遮光器”，其作用是直接遮擋太陽光線；另一艘則名為“日冕儀”，負責觀測日食現象以及太陽日冕。

這兩艘航天器沿著高度橢圓的軌道繞地球運行，周期為 19.7 小時。在該任務的觀測過程中，最佳時機是在航天器到達遠地點時—此時它距離地球 60,530 公里，遠高于地球同步軌道的高度。

△位于地球上的潔凈室內的 Proba-3 日冕儀和遮光裝置。

這項任務的軌道規劃及技術挑戰極為艱巨：在觀測階段，兩艘航天器必須保持 150 米的間距，并以亞毫米級的精度來維持這一距離。

為了消除地球大氣層帶來的干擾，確保觀測的連續性，必須使用基于太空的長基線日冕儀來進行觀測。

迄今為止，歐空局的研究人員通過 57 次人工模擬日食，獲得了總計 250 小時的高分辨率太陽日冕視頻。

作為參考，地球上日全食的持續時間最長為 7.5 分鐘。而 Proba-3 所獲取的視頻時長則是這一數值的 2000 倍。Proba-3 的任務期限本應在 2026 年 12 月結束，但實際上它的任務將持續更久。

△2024 年 4 月 8 日全日食期間所觀測到的日全食現象以及太陽日冕。

該任務配備了三種主要儀器。

數字絕對輻射計（DARA）安裝在遮光航天器上，用于測量隨時間變化的太陽能量輸出。

3D 高能電子能譜儀（3DEES）則用于在任務過程中測量地球范艾倫輻射帶的能量和電子運動方向。

用于觀測太陽日冕的主要儀器是 ASPIICS（用于對太陽日冕進行偏振和成像觀測的空間探測器聯盟）。ASPIICS 能夠觀測到距離太陽“表面”或耀眼的光球層僅 70,000 公里以內的區域，這一距離相當于太陽半徑的 1/10。ASPIICS 每分鐘能拍攝兩張圖像。

Proba-3 的任務是解開空間天氣的起源和演化過程中的種種謎團。日冕物質拋射是如何形成的？是什么力量讓太陽風的速度超過 2,000 公里每秒？

又為何日冕的溫度會高于光球表面—這一現象被稱為“日冕加熱之謎”，其溫度高達數百萬攝氏度？

△關于 Proba-3 的觀測數據與科學成果的圖文介紹

其他航天器，比如歐空局/美國宇航局聯合開發的太陽日球層觀測臺（SOHO）、位于地球同步軌道上的 NOAA GOES-19 衛星上的緊湊型日冕儀（CCOR-1），以及印度的 Aditya-L1 衛星，也都配備了日冕儀。

不過，沒有哪一艘航天器能像 Proba-3 那樣，能夠探測到太陽附近、空間天氣現象產生的那個區域。具體而言，Proba-3 將我們對日冕的觀測范圍從 3 個太陽半徑縮小到了 1.1 個太陽半徑。

Proba-3 的初步觀測結果已經讓研究人員感到驚訝。與地球上的風類似，太陽風也有快有慢：有時以高速流動，有時則呈緩慢波動狀。

高速太陽風似乎是從日冕孔中噴出的，而“低速”太陽風則較難研究，據認為其成因是磁重聯現象。

在 Proba-3 的觀測圖像中，低速太陽風呈現為明亮的流光或射線。不過，所謂的“低速”太陽風在實際觀測中，其在日冕中的移動速度往往比預期要快：約為 250 至 500 公里/秒，而理論值僅為 100 公里/秒。

▲Proba-3 所記錄的、呈蜿蜒曲折狀的緩慢太陽風。

而 Proba-3 的任務才剛剛開始，研究人員們仍在持續分析該任務所收集的數據。Proba-3 任務所提供的科學數據，對于理解與預測空間天氣及其對現代科技社會的影響至關重要。這有助于我們更好地應對那顆充滿變數的恒星所帶來的挑戰。

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