來源：新發現雜誌

還沒有哪臺“攝像機”能如此地接近太陽！去年6月，“環日軌道器”將遙測成像儀一一對準太陽，捕捉到了這個“沸騰大火爐”的許多驚人畫面。未來數年，關於日冕的謎團也將被揭開。

無處不在的“納耀斑”

去年7月，“環日軌道器”（Solar Orbiter）拍攝的首批照片記錄到一大撥“能量噴泉”：

這些等離子體可噴射幾百千米之高，但從整個太陽的尺度來看，如此規模實則微乎其微……

“這是這批照片帶來的最大驚喜，”項目成員之一、巴黎-薩克雷大學空間天體物理學研究所（IAS）的弗雷德裏克·奧謝爾（Frédéric Auchère）解釋道，“這些都是太陽耀斑，與我們在地球上觀察到的那些沒什麼區別，不過大小隻有後者的幾百分之一。”天體物理學家之前就相信“納耀斑”（nanoflare）存在。

畢竟，他們需要找到一個傳遞熱量的機制來解釋日冕平均約200萬度的超高溫。而環日軌道器的極紫外全太陽高解析影像儀（EUI）配有兩臺高分辨成像儀，其解析力達前代探測器的兩倍，終於讓納耀斑現身了。這些耀斑的能量只有標準耀斑的百萬分之一，且持續時間僅爲數秒。

“但現在我們知道了，太陽上每時每處都在產生納耀斑。之後要做的是計算日冕是否僅憑耀斑就能達到這樣的溫度。”弗雷德裏克·奧謝爾解釋道，“而且隨着探測器進一步地接近太陽，我們還將尋找規模更小、數量或許更多的耀斑。”

躍入日冕內部

這是太陽表面2000千米之上的色球層的景象。

這層太陽大氣只有專門的紫外光譜影像儀能看到：原始圖像經前文提及的EUI處理後，才轉化成了玫紅色。

該處溫度約爲10000℃，還不算“太高”……從這裏往上，溫度會一路飆升：再上升2000千米後的溫度將達到至少100萬攝氏度！“太陽大氣是層層相連的，”弗雷德裏克·奧謝爾解釋道，“我們在這個波長範圍內嘗試觀測的是下層到上層的能量轉移。”尤其要找到納耀斑的源頭，以儘可能精確地算出它們傳遞的能量。“可惜，這一部分的波段我們沒能調整好，因爲探測器的飛行條件和在地面測試的不一樣。要獲得用足分辨率的圖像還需等待。”

“活捉”太陽風

日冕的美麗充分展現在下圖中：此處的太陽大氣層不斷向宇宙噴射溫度近200萬攝氏度的質子和電子。

在可見光下，日冕的亮度只有太陽的數百萬分之一。因此，探測器搭載的Metis日冕儀配備了一個可遮擋太陽主體的圓形擋板，從而使日冕現身。目前呈現的日冕，其赤道部分比兩極密度更高，這是太陽週期中磁場活動最小期的特徵。

然而，科學家最感興趣的還是兩極，因爲那裏形成的太陽風速度可達每秒800千米，他們尚不瞭解其成因，這也是環日軌道器的核心探索任務之一。探測器將在飛行的過程中逐漸與黃道平面岔開，從而破天荒地對太陽的兩極進行拍攝！

在此期間，磁場活動理應有所增強，因此，耀斑的強度會提升且數量也會顯著增加。屆時，景象一定非常壯觀。

繪製磁場流動

這就是太陽的磁場全貌。

圖像攝於去年6月18日，圖中的藍色部分代表潛入太陽表面的磁場線，紅色則代表穿出表面的磁場線。

“除了右下區域，太陽目前還是相對平靜的。它正處於其11年週期中的活動最小期。”弗雷德裏克·奧謝爾觀察道。測量磁場的“極化和日震影像儀”（PHI）採用的經典技術在地面望遠鏡上運用已久，源自塞曼效應：一旦物質進入強磁場，它發出的光會發生變化。

而由於該儀器和太陽史無前例地接近，太陽的磁場波動以前所未有的精度展現出來：直徑只有1000千米的太陽黑子也出現在圖像上。在創紀錄的分辨率之下，PHI揭示了阿爾文波的起源。這種只存在於等離子體中的波會將自身的能量傳遞給日冕，是造成日冕高溫的原因之一。

“之前進行的嚴格測試就像是白做了。通常建造這種複雜程度的機器，總給人一種一定會出錯的感覺……但這次卻是例外！”弗雷德裏克·奧謝爾鬆了一口氣，目前看來，他所參與的歐洲空間局（ESA）“環日軌道器”項目取得了全面成功。

去年6月，也就是這個造價14億歐元的探測器發射4個月後，它走完了日地平均距離的半程，成爲目前最接近太陽的影像設備。

（ESA）“環日軌道器”

“那段時期壓力尤其大，因爲儀器校準階段恰恰處於新冠疫情最嚴峻的時期，”此次任務副科學幹事雅尼·祖格阿涅利斯（Yannis Zouganelis）回顧道，“ESA操作中心都關門了。研究人員分散在美國和歐洲各地，每個人各自在家完成工作。如此複雜任務中的關鍵階段在這樣的條件下完成，這在航天史上還是頭一回。”

儘管如此，探測器最終的表現超出所有人的預期。第一批照片已經出爐：四溢的等離子體，“上躥下跳”的磁場線，大氣湍流……太陽呈現了人類前所未見的細節。“這些照片是在‘飛行接收’階段拍攝的，主要用於測試探測器在極端條件下的運行情況，並非出於科研目的，”弗雷德裏克·奧謝爾解釋道，“然而，我們已經可以從中整理出一些研究結果了！”

要更好地觀察太陽，除了儘可能地逼近它，別無他法。儘管地球表面有三十多架望遠鏡在全年無休地觀察太陽，儘管自人類開始太空探險以來已發射二十多臺太陽探測器，太陽內部的運行機制仍有許多方面無從瞭解。

而太陽的大氣層，尤其是日冕，有越來越多的研究人員爲之着迷。“日冕的溫度比太陽表面高几百倍。而從常理來說，離熱源越遠，溫度應該越低纔是。”弗雷德裏克·奧謝爾描述道。科學家也不明白太陽風是如何從兩極加速至800千米/秒的。“很難在地球上觀察太陽的兩極，因爲沒有合適的角度，”奧謝爾遺憾地補充說，“我們是從掠射角進行觀察，所以沒法用多普勒效應來繪製風速圖。”

200萬攝氏度的大氣層

接近一個大氣溫度高達200萬攝氏度的恆星並拍照是極其困難的。哪怕加上了一層前所未有的熱保護層，探測器依然要與太陽保持不小於0.28個天文單位的安全距離，也就是4200萬千米。相比美國國家航空航天局（NASA）於2018年發射的“帕克太陽探測器”（Parker Solar Probe），環日軌道器離太陽要遠大約三倍，而帕克太陽探測器沒有攜帶任何攝像頭。

“帕克太陽探測器”（Parker SolarProbe）

“帕克太陽探測器之於環日軌道器，相當於法拉利之於勞斯萊斯，前者速度更快，某些方面表現更佳……但環日軌道器配備的儀器更完善。”兩個項目都有參與的法國奧爾良大學教授蒂埃裏·杜多克·德威特（Thierry Dudok de Wit）比較說。

環日軌道器的儀器中，有4個是內置的傳感器，負責實時研究探測器所處的環境，測量當前磁場和撞擊粒子的性質，等等。還有6個高清攝像儀，對X射線、紅外線、紫外線及可見光等多種波長都極其敏感。

在最接近太陽時，攝像儀可以拍攝分辨率達每像素100千米的圖像，要知道太陽的直徑是地球的109倍，也就是1392000千米，這個精度已然非常驚人！在完成一半行程時，探測器的分辨率就已達到每像素175千米，因而發現了太陽表面的納耀斑，確定了太陽大氣層的範圍，揭示出太陽風的結構以及太陽的磁場波動。“圖像的質量在調整後還能大幅提高。”參與“極化和日震影像儀”設計工作的蒂埃裏·阿普爾紹（Thierry Appourchaux）承諾道。

最重要的是，探測器在幾年後會提供一個前所未有的觀測視角：屆時，探測器將近距離飛越金星，從而逐漸錯開黃道平面，直到抵達能拍攝太陽兩極的位置。之前從來沒有探測器能做到這一點！1990年代“尤利西斯”號（Ulysses）探測器曾前往觀察太陽的兩極，然而當時負責影像部分的NASA突然退出項目。“太陽的兩極是太陽物理學研究的盲區之一，”蒂埃裏·阿普爾紹指出，“是時候填補這一空白了！”

“尤利西斯”號（Ulysses）

爲什麼太陽表面和日冕以不同的速率自轉？它的磁場是如何形成的？其演變是否可以預測？研究人員有一種預感：這些問題的答案就藏在太陽的兩極之中。“這是一片從未探索過的領域，我們從中可以得知太陽每11年的活動週期是如何變化的。”蒂埃裏·阿普爾紹補充道。事實上，當兩個太陽週期交替時，下一個週期的磁場會先出現在兩極。

“其實，太陽內部的一切都是互相關聯的，”雅尼·祖格阿涅利斯總結道，“太陽風的物理性質取決於日冕的物理性質，太陽黑子的物理性質由太陽磁場的物理性質決定，而後者又受制於太陽的內部結構。”環日軌道器將通過機載的6臺遙測儀器，在有史以來最接近太陽的位置對上述問題進行探索。這顆恆星內部最後的祕密很快會揭開。

撰文 Benoît Rey

編譯 鄒沁