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先进天基太阳天文台项目及其展望 精选

已有 3928 次阅读 2022-7-18 11:47 |系统分类:观点评述

中国首颗综合性太阳探测专用卫星“先进天基太阳天文台” (Advanced Space-based Solar Observatory,ASO-S)将于十月份发射升空。这项工作的重要性可以从该项目在七月份面向社会公众征集名称看得出来。因为这项工作非常重要,所以项目组才觉得需要起一个好的名字。另外面向公众征集名字也是为了引起公众对该项目的注意。

那么,为什么这个项目这么重要呢?这是因为这个项目所发射的卫星跟我国以前发射的各种卫星意义是不太一样的。尽管ASO-S也是一颗科学研究卫星,投入也不能算很大,但是在我国的航天科技事业当中,这个项目也许将是一个里程碑的项目。

从名称上来看,先进天基太阳天文台卫星其功能当然就是为了观察太阳的各种参数。太阳对于地球的重要性不言而喻,据介绍,这次ASO-S主要目的就是为了观察太阳的“一磁两暴”。“一磁”指的就是太阳的磁场。太阳的磁场可以分为全局磁场和局部磁场两部分。太阳的全局磁场跟地球的磁场基本上是一样的。但是太阳跟地球又不一样,由于太阳是一颗气体星球。气体的温度非常高,呈现等离子体的状态,具备强烈导电能力。因此在太阳活动的时候,如果有电流在其中流动,自然就会产生局部的磁场。太阳耀斑,太阳日冕物质喷射等等都跟太阳的局部磁场有直接联系。另外我们经常在网上看到的所谓太阳黑子的爆发,就是由于太阳磁场的存在,导致在太阳某一个区域核反应受到限制,该部分的温度就明显低于周围的温度。这样在观察的结果上就形成了所谓的黑斑,也就是太阳黑子现象。“两暴”其中之一指的是太阳的日冕爆发,在太阳日冕爆发的过程当中会抛射出大量的物质,当然这些物质的温度也是非常高的。太阳的另一“暴”则指的是太阳的耀斑,太阳的耀斑跟太阳黑子正好相反,由于某种机制导致在太阳的某个区域出现更加强烈的核聚变反应,从而形成更加明亮的光斑。在这个更加明亮的区域当中,自然其温度也就明显高于周围的区域。

太阳黑子、日冕物质抛射和耀斑呈现明显的周期性。目前ASO-S赶在今年发射,目的就是为了赶上太阳爆发的第25周峰。而太阳的这种剧烈的活动,自然也对地球气候的变化形成非常巨大的影响。研究太阳的这种“一磁两暴”,对于地球的重要性也就不言而喻了。

当然,我们在地面上也可以观察太阳,不过由于受到地球大气层的影响,在地面上观察太阳效果自然没有在太空当中观察太阳效果那么好。

这次发射的ASO-S就是能够在太空没有干扰的环境中更好地观察太阳的活动。该卫星将在地球上空近地点720公里左右的轨道上运行,这个轨道被叫做太阳同步轨道,跟地球同步轨道相对应。

从上面的介绍可以看出,单就这个项目本身的意义来说,已经是一个里程碑作用的科研项目了。它代表了我国航天科技事业在火星探测项目基础上,又向前迈出了一大步。今后我们不光可以探索太阳系的行星,还将直接探索太阳的各种规律。

那么这将如何影响我国的航天事业发展呢?根据NASA的经验,我猜测今后我国的航天科技空间探索技术将主要面向两个方向发展。

第一个方向就是飞得更远。所谓飞得更远就是我们的飞行器将在太阳系中越飞越远。目前,在太空中离地球最远的人造探测器是NASA的旅行者1号。现在旅行者1号和旅行者2号都已经飞出了太阳系进入星际空间。特别是在最近这几个月,旅行者1号还发回了一些比较特殊的数据,这些数据反映出旅行者1号在不断调整自己的姿态,但是在旅行者1号本身工作看起来却非常正常。这似乎反映出了旅行者1号进入了一个人类从来未进入过的时空领域之后,面临的各种新的问题。直到目前为止,NASA也没有发布更多的新闻来反映出他们已经解决了这个问题。我猜测这个问题现在应该还始终存在。从后续的工作安排上来看,原来NASA的旅行者1号和2号是准备在2025年就完全结束任务的,但是目前NASA已经开始关闭更多的仪器以节省能量消耗。这样可以让旅行者1号和2号的工作延长到2030年。说明NASA希望旅行者1号和2号在后续看起来似乎空无一物的星际空间当中,还能够再发回更多有关星际空间的重要信息。

当然,如果我们现在发射跟旅行者1号和2号相似的探测器,那可能也需要几十年的时间才能到达旅行者1号和2号现在的位置,这主要原因是受限于这两个探测器的速度还不够快。目前这两个探测器的速度只有每秒二十多公里。现在技术发展了,如果我们利用新的技术,能够将今后我们的探测器速度加速到每秒200多公里,那么只需要四年的时间,我们的探测器就可以达到现在旅行者号飞船的位置,届时说不定可以给旅行者1号或者2号飞船拍些照片回来。

另一个发展方向可能就是飞得更近。也就是说,今后我们的飞行器将越来越靠近太阳。

在整个太阳系当中,太阳的质量是最大的,因此在太阳周围的引力也将是最强的,这也意味着太阳附近是太阳系当中研究引力以及暗物质的最佳场所。目前人类的引力理论主要有两个,一个就是牛顿引力理论;另一个就是爱因斯坦的广义相对论理论。牛顿引力理论已经获得了非常广泛的应用。而爱因斯坦的广义相对论则适用于更宏观、更强的引力场的研究。也正是因为广义相对论所研究的对象太过特殊,因此现在能够获得支持的证据也比较少。在太阳系当中,如果我们能够更靠近太阳,那么我们就可以获得一个相对比较强的引力环境,然后在其中获得广义相对论成立的一些更加重要的、更加关键的证据。比如在广义相对论当中,一个重要的证据就是水星的近日点进动问题。但是水星近日点的进动其实并不是很明显,主要是水星的椭圆轨道偏心率比较小。如果我们能够发射一颗人造行星,该人造行星近日点可以达到比水星近日点还要近的位置,而远日点则在更远的位置。这样该人造行星的偏心率就会比较大,这个时候我们就可以看出更加明显的近日点进动的效应,从而对广义相对论获得更高精度的证据。另外还有一个很有趣的现象,就是目前人类所测量出来的引力常数是非常不稳定的,包括我国著名科学家华中科大罗俊小组测量出来的世界上最高精度的引力常数,都跟世界上其他小组测量出来的引力常数有很大的差异。是什么原因造成这些引力常数有这么大的差异的?其中有一些理论,包括著名物理学家狄拉克都设想,引力常数可能是不断变化的。引力常数是否变化?在地球这样比较弱的引力环境当中,可能难以体现出来。但如果是去到了太阳附近这么强的引力场当中,相信这种引力常数可能变化的效应就会呈现出来。一旦我们获得了足够证据,证实引力常数是变化的,那一定会带来一场物理学方面的巨大的革命。

另一个对暗物质的探测,目前很多仪器设备都是在地球上的。然而地球附近暗物质产生的效应太弱了,经过很长时间的探索,目前人类还是一无所获。但是天文学的观察证据又强烈表明暗物质是存在的。现在看来人类要获得暗物质存在的直接证据,可能还是需要到太阳附近去寻找。这也是我们需要飞得离太阳更近一些的原因所在。

目前人类已经发射了三颗离太阳很近的水星探测器。第一颗是1973年发射的水手10号水星探测器,获得了水星的一些非常重要的参数。第二颗是2004年发射的信使号水星探测器,进一步探测了水星以及水星周围空间环境的很多重要参数。一些科学家也利用信使号水星探测器对广义相对论理论进行了研究和分析。

第三颗水星探测器是欧洲和日本合作发射的名字叫做贝皮·科伦坡(Bepi Colombo)水星探测器,在2018年10月成功发射,预计将为人类带来更为详细的水星的资料。

当然这些都是研究行星的,并非直接用来研究广义相对论和暗物质等理论的。尽管在一定程度上,设计之初也考虑过这些要求。

如果要直接研究引力理论以及暗物质,还是需要依靠人造行星。实际上早在上个世纪五十年代末,苏联的月球1号已经成为一颗人造行星。后来人类又陆续发射了几颗用来研究太阳的人造行星,证明人造行星技术实际上已经成熟。而美国在2018年发射的帕克号太阳探测器与我国的这颗先进天基太阳天文台功能类似,不过它现在就是一颗人造行星。帕克号的成功也为我国今后发射类似的人造行星提供了宝贵的经验。当然如果要更好地研究引力理论以及太阳周围的暗物质,需要这颗人造行星具有很大的偏心率。即近日点离太阳比较近,而远日点离太阳比较远。这样所获得的数据就可以进行对比。同时近日点所引起的进动效应也会更加明显。

人造行星还可以进一步释放探测器,比如出现日冕物质喷射的时候,人造行星释放一颗带有摄像头的探测器直接飞向喷射流,就可以完整地记录下日冕喷射的各种参数。而在画面上也将是非常震撼的,让人类有一个更加直观的体验,了解太阳的能量爆发。

 最后附上一个中国首颗综合性太阳探测专用卫星启动征名的入口二维码地址(截止日期7月24日):

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