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尤利西斯号-太阳极点探测器 精选

已有 13548 次阅读 2016-9-20 08:16 |个人分类:系列科普|系统分类:科普集锦

尤利西斯-太阳极点探测器

尤利西斯是罗马神话中智勇双全的英雄,我们这儿要介绍的,是代替人类飞向太空,去探测太阳极区的机器英雄Ulysses号探测器。尤利西斯和它得以命名的神话英雄一样,“勇敢机智”,在按预定路线遨游太空的征途上顽强拼搏、大获全胜。从1990年发射,到2008年,整整18年的服役期,不但顺利完成了设计者最初期望的5年的任务,还多活了13年,供给科学家们许多有用的资料,带给了人们额外的惊喜。

据说“尤里西斯”号曾一度差点被“冻死”,因为它显示出供电严重不足,有可能出现能引起燃料冻结的低温。但令人惊奇的是它竟在遭此劫难之后又顽强地支撑了一年,并传回不少有价值的科学数据,最后,尤里西斯的通信能力逐渐减弱,于2008630号被正式关闭,结束“英雄”的使命。

神秘的极区

美国航天局和欧洲航天局发射Ulysses号的目的,是要探索太阳的两个极区:太阳南极和太阳北极。

极点总是神秘而有趣的地方,地球极点也是如此。人类在100多年前,征服地球的北极和南极的过程中就有令人动容的故事。如今我们很难想象当年的地球极区征服者所遇到的困难,但看看他们使用的交通工具也许能给我们一些启迪:由于地球极区的特殊地理条件和气候环境,当年征服两极的先驱们使用的交通运输工具基本上都是“狗拉雪橇”,见图1

1:探测地球南极的英雄们

20世纪初,美国探险家皮尔里用狗拉着雪橇首次到达了北极点,为北极探险写下辉煌的一页。从18世纪起,人类就开始了南极探险,英国库克船长历时38个月,航行97000千米、环南极航行一周,但最终未发现陆地。

19111214日和1912117日,挪威的阿蒙森和英国的斯科特率领的探险队先后到达南极点。阿蒙森是第一个到达的人,斯科特在一个月后到达。但是,斯科特小队5人不幸遇难全部死于回程的路上,因而成为后人心目中可歌可泣的南极探险英雄。

斯科特从南极点返回时运气不佳,碰上罕见的大风雪。一行人冒着呼啸风雪,越过冰障,历尽干辛万苦,却舍不得将随途所采集的17千克重的植物化石和矿物标本丢弃!斯科特看见同伴们一个接一个因为及其恶劣的生存条件和疾病的折磨而死去,他痛苦地写下最后一篇日记“我现在已没有什么更好的办法……结局已不远了……”。虽然没有得到“第一次登上南极点”的荣耀,但斯科特等留下的日记、照片,以及采集的化石和标本,为后来的南极探险、地质勘测等,都作出了重大的贡献。科学需要付出,有时候甚至以生命为代价。虽然在现代,这种不幸已经越来越少,但前辈的精神,给我们留下珍贵的科学遗产,让我们从中懂得什么是科学家真正的追求?比较起来,某些为了名利地位而造假的人,显然是配不上“科学家”这个称号的。

据说斯科特等人的悲剧原因也有一部分是因为自身的错误。他们没有像阿蒙森那样大量地使用“极地雪橇犬”,而采用了狗、小马、拖拉机并辅以人力拖拉的混合运输方式。最后,小马因为不适应南极环境而死去,拖拉机难以行驶掉进海里,导致最后物尽人亡的悲剧,由此也可见探险工具之重要。

地球和太阳的极区都以其独特的魅力吸引着人类探索的脚步!对天体物理学家们而言,太阳的两极是奇特而神秘的未知地域。

无论太阳还是地球,都有地理上的“南北极”,也有磁性意义上的“南北极”,下文中将按照通常习惯:“南北”多指地理,磁极用SN表示。刚才介绍的探险英雄人物,探测目标是地球地理上的南极。地球像一个大磁铁,磁铁的SN,与地理上的南北极,位置相差一点点,方向正好倒过来。也就是说,地球的南磁极S,位于北极圈内,磁北极N,位于地理上的南极。太阳的情形也有些类似,并且,太阳或地球的磁极都在不断地运动着,有时候甚至进行完全的掉转,即SN互换。地球磁极互换的周期很长,大约每30万年左右才发生一次,而太阳的磁极则翻转得异常迅速,每11年,NS极点便对调一次。因此,从发射技术的角度而言,尤利西斯的目标指向太阳地理之南北极,但天体物理学家们更感兴趣的是太阳磁场的NS及其变化,特别是,人们越来越认识到太阳风对地球的重要意义,而太阳风更多地来自于磁场极区附近的“冕洞”结构。太阳这团“大火焰”及其变化活动,在磁场的极区表现得尤为激烈,而人类对其规律仍然知之甚少,有待探索。

1990年,阿蒙森和斯科特第一次到达地球南极之后将近80年,人类派出了尤利西斯,目标直指太阳的南北极。不过,太阳表面太热了,尤利西斯在那儿没法生存,聪明的设计者们当然不能让他们的“宠儿”直接飞到太阳上去自取灭亡,而是想办法让它尽量地接近太阳极点,“站”在一个合适的位置来观察太阳。

为什么需要发射一个太空探测器去探索太阳极点呢?难道通过地球上的大型望远镜不能观测到太阳的南北极吗?

事实正是如此,在地球上的确不容易观测太阳的南北极。地球绕着太阳转,两者又分别绕轴自转,太阳南北极连线多数时候是几乎垂直于行星的轨道平面(初略而言,等同于黄道面),因而难以被观测到。可以打个这样的比喻:两个人与地面垂直、面对面站着,或者互相绕圈,都是很难互相看见对方的头顶或脚底部分的。特别是对地球而言,面对着比它大出许多的太阳,只能看见对方挺着一个“大肚皮”(图2),要看到两端的北极和南极,就很困难了。

于是,科学家们想:如果能够将探测器发射到一个与黄道面构成较大角度(几乎垂直)的轨道上,不是就能够方便地观测太阳极区的情况了吗?见图2的示意图。


2:尤利西斯的轨道与黄道面成80o左右的夹角

英雄身负重任上轨道

“尤利西斯”号是美国国家航空航天局(NASA)与欧洲空间局(ESA)的合作项目,首先主要由欧洲空间局设计制造,总质量为385公斤,其中 55公斤是包括太阳风等离子体探测仪在内的10种科学仪器,设计的工作寿命为5年。1990106日在美国佛罗里达州,由发现号航天飞机发射升空,探测器的控制中心位于美国加州的NASA喷气推进实验室。

科学家赋予“尤利西斯”的基本任务是:进入合适的太阳轨道,飞越太阳南北极点,近距离观察太阳两极地区,探测太阳极区的秘密!更具体地说,它的使命是探测研究太阳风的特性、日光层磁场、磁暴、冕洞等,加深人类对太阳,特别是对太阳极区的认识。

如何才能达到这个目标呢?换言之,什么是适合探测太阳极点,又不至于被太阳“烧伤”的轨道?如图2所示,这个绕日轨道最好与黄道面近似垂直。然而,在发射航天器的过程中,为了使它达到一定的速度,一般都需要利用地球的自转,在顺着地球自转的方向发射。因为这个原因,发射的绝大部分探测器都是近似地在黄道面内运行,设计者们计划的“尤利西斯”一开始也遵循这个原则,发射时沿着一条长椭圆形的绕地轨道飞向“太空”。

尤利西斯并非盲目地飞向太空,它的第一个目标是飞向木星。更为准确地说,是飞向两年之后木星将到达的位置,在那儿与木星“见面”。为什么飞向木星呢?这是设计者玩的一个花招,要让尤利西斯从木星的轨道运动中“盗取”一点能量和角动量。重要的是,用这种方法(称之为引力跳板,本质上也是一种引力助推)使得尤利西斯转换轨道:从原来绕地的椭圆,转换“跳”到绕日的椭圆。

1990106日,发现号航天飞机进入轨道6小时之后,机上的航天员打开货舱,将尤利西斯探测器从舱内推出。接着,探测器利用它自身的三级火箭加速,提高飞行速度到每秒16公里左右,然后,沿着绕地轨道,背向太阳而去。图3中画出了尤利西斯的整个轨道图,它最初的轨道基本是在黄道面以内,由图中标识了“地球到木星”的中间那条红线表示。轨道图右边所示的放大图,显示航天器在木星附近的轨道转换情形。


3:尤利西斯的轨道

经过16个月的航行,尤利西斯于19922月与木星“碰面”,木星是太阳系中的行星之王,它的质量(1.898 × 10^27 公斤)相当于其它7个行星相加之总和的2.5倍,等于318个地球!如此大质量的木星附近的引力也很大,看起来几乎要把可怜的不到400公斤的尤利西斯“俘获”成为它自己的卫星!不过,科学家们胸有成竹,他们经过了精确的计算,并且预先让尤利西斯加速到了足够的速度,有足够的惯性来逃离木星巨大的引力,最后使得探测器绕着木星转了半圈(实际上是一个双曲线轨道)之后,借助木星的强大引力“荡了一下秋千”,获得了一个与黄道面垂直的速度。因此,尤利西斯脱离了黄道面,“蹦”上了另一条绕日椭圆轨道,向着它的最终目标-太阳飞去!见图3中的红色椭圆。

神奇的引力跳板技术(荡秋千),让探测器的绕日轨道(周期6年)以近乎垂直的角度,竖起在黄道面上。1994626日,尤利西斯号第一次接近太阳南极,1995619日第一次通过太阳北极。尤利西斯号至19959月为止,已经完成了原定设计任务。但令人惊喜的是,它精力仍然充沛,不想“退休”,继续在轨道上飞行,对太阳开展进一步的探测研究。20001127日,尤利西斯再次通过太阳南极地区,20019月到12月第二次通过北极地区。2006-2007年,尤利西斯号探测器第三次通过了太阳极区。  

尤利西斯号三次绕过日极,以超越原定“寿命”两倍以上的工作时间和探测研究超额完成了肩负的任务。这是人类第一次从三维立体角度探测太阳的南北极。太阳黑子的活动周期是11年,也是太阳磁场活动的半周期。尤利西斯号服役189个月,它在绕日轨道上运行了14年,涵盖了太阳的第22-23活动周期,从宁静期到高峰期,又转为低峰,见证了不少科学家们前所未知的现象,传回了大量有价值的观测资料。

探测结果

a. 探测极区冕洞:

尤利西斯的目标是探测与太阳风有关的太阳磁场,太阳风实际上就是太阳磁场向周围宇宙空间的延续。如图4b所示,在太阳的(磁性)赤道附近,磁力线是闭合的,吹出的太阳风也沿磁力线返回;在太阳的极区(N、S上方有空洞(冕洞)存在,也就是是太阳磁力线敞开的地方,太阳风便从此逸出。尤利西斯在飞跃极地时,对太阳风进行取样,探测到了先前人们未预料到的高纬度的辐射暴,观测到极区太阳风从冕洞逸出的情形,见图4a


4:太阳的磁场

尤利西斯主要研究了太阳整体的磁场,为后来发射的太阳探测器起了开路先锋的作用。之后的探测器拍摄到太阳表面磁场的超精细结构,见图4c

b. 观测磁极翻转:

如上文所述,地球的磁极(N、S)位置与地理南北极是相反的,磁极互换的周期大约每30万年左右,与人的寿命比较太长了,难以在短期内进行研究。而太阳的磁极翻转周期(翻转又翻转)为22年,即磁极运动的半周期与太阳黑子活动的周期同步。为什么太阳磁极翻转与黑子有关?其中有何内在的奥妙?地球磁极翻转的周期又与什么有关呢?这些问题至今并无令人满意的答案。太阳磁极翻转快,便于进行研究,研究太阳的极区磁场可能会告诉我们自己星球上磁场的线索。因此,对太阳磁极翻转的观察数据不仅对太阳活动的研究者有用,地球物理研究也可能从中受益,得到启发。此外,太阳磁场极性改变也可能对地球气候、高频无线电、卫星通信等有一定的影响。

尤利西斯运行寿命18年,几乎涵盖两个太阳黑子活动周期,也正好观察到了太阳磁极的翻转过程。


5:太阳磁场翻转

1994年,尤利西斯第一次飞越太阳南极(地理)地区时,正值日冕活动极小值时期,如图5a200011月,尤里西斯返回到离太阳2.2天文单位(1天文单位AU是从太阳到地球的距离)的南极地区时,发现磁场被分裂成多个方向,太阳活动接近最大值,磁场似乎正在复杂重组的过程中,如图5b所示。尤利西斯绕日的轨道周期是6年左右,它对太阳磁场的三次观测结果证实了太阳磁极翻转为11年左右。

5是太阳磁场翻转的示意图,图6则为尤利西斯三次飞跃极区观测到的太阳风的变化情形,从中可看出太阳磁极的翻转过程。图6下方的曲线表示太阳黑子数随时间的变化规律,可证实黑子活动规律是与太阳磁极翻转同步的。



6:尤利西斯拍到的太阳磁场翻转

c. 太阳风的速度


7:太阳风速度(从赤道到极区)

太阳极区的冕洞吹出太阳风,太阳风是由带电粒子组成的等离子体流。尤利西斯的南北极飞跃,使人们得以研究太阳南北极温度的差别,以及赤道和极区太阳风速度的差别等。

从图7中尤利西斯在不同位置测量的太阳风速度可见,太阳风的速度随着纬度的递增而加快。在南半球接近赤道的部分(图7中的a点),太阳风的速度大约只为每秒钟400公里,而在南半球高纬度上(图7中的d点)太阳风速度大约为每秒750公里,几乎提高了1倍。此外,科学家通过对太阳的观测发现,太阳风正在逐年减弱,目前正处于有史以来最微弱的时期。

d. 其它结果

除了太阳产生等离子体流之外,宇宙中的其它恒星也产生各自的“风”。因此,宇宙空间中充满了“宇宙风”。科学家们设想,冕洞吹出强烈的太阳风,也有可能会让宇宙中别的粒子“风”大量涌入?但“尤利西斯”号的测量结果并非如此,它没有在两极地区观测到预期的宇宙射线,这给天文学家们提出了一个新的课题:是什么原因在阻止宇宙线不进入太阳极区呢?(图8a

此外,19965月,“尤利西斯”号还得到一个难得的机会,穿过了“百武”彗星的尾巴,见图8b尤利西斯分析了彗尾的化学成分,发现其尾巴的长度至少有3.8天文单位。


8:尤利西斯功不可没

(尤利西斯探索太阳极区功不可没,木星助它一臂之力,“荡秋千上轨道”,也功不可没。下一篇中,我们将探索“木星”- 这颗神秘的行星之王。)




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