美国宇航局的帕克太阳探测器与太阳系周围的天文台合作

帕克太阳探测飞船正在接近太阳

艺术家构想的帕克太阳探测器接近太阳。来源:NASA/约翰霍普金斯APL/史蒂夫·格里本

了解太空环境的核心是了解整个太空的条件——从太阳到行星的大气层,再到深空的辐射环境——是相互关联的。

研究这种联系是一项复杂的任务——这是一个被称为太阳物理学的科学领域:研究人员在无处不在的太阳物质外流的背景下追踪物质、辐射和粒子的突然喷发。

2020年初,一系列事件交汇在一起,创造了一个近乎理想的太空实验室,将一些人类最好的天文台——包括帕克太阳探测器(Parker Solar Probe)第四次飞越太阳——与太阳活动的平静期结合在一起,这段时间最容易研究这些背景条件。这些条件为科学家提供了一个独特的机会,通过多个角度的观察和离太阳不同的距离,研究太阳如何影响整个空间的条件。

太阳是一个活跃的恒星,其磁场在太阳系展开,材料的太阳常数外流称为太阳风,这在整个太阳系影响飞船和塑造世界的环境内进行。我们已经观察到太阳,地球和其他行星附近的空间,甚至影响太阳的球数十年来的最遥远的边缘。和2018年标志着推出新的,改变游戏规则的天文台:帕克太阳探测器,并计划从太阳可见表面,最终飞到约3830000英里。

帕克现在已经有太阳四点亲密接触(帕克与太阳首先遇到数据已经公布了其大气的新图片。)在其第四太阳能相遇,横跨一,二月份到2020年,直接在太阳和地球之间通过飞船的部分。这给了科学家们一个独特的机会:太阳风帕克太阳探测器测量时,它是最接近太阳公公,几天后,地球,风本身和它的影响可能由两个航天器和地面观测站进行测量得出。此外,上和附近地球太阳观测将具有产生由Parker太阳探测器测得的太阳风上太阳的位置的清晰视图。

“我们从帕克的数据中知道,某些结构起源于太阳表面或其附近。我们需要研究这些结构的来源区域,以充分了解它们是如何形成、演变和促进等离子体帕克太阳探测任务的项目科学家Nour Raouafi说,他在马里兰州劳雷尔的约翰霍普金斯应用物理实验室工作。“地面观测站和其他太空任务提供了支持观测,可以帮助描绘出帕克观测的全貌。”

在任何情况下,科学家都会对这种天象排列感兴趣,但它也与另一个科学家感兴趣的天文时期相符:太阳极小期。这是太阳活动周期约11年的最低点,所以太阳突然爆发,如太阳耀斑、日冕物质抛射和高能粒子事件不太可能发生。这意味着研究太阳极小期附近的太阳对科学家来说是一个福音,他们可以观察一个更简单的系统,从而理清哪些事件导致哪些影响。

“这一时期为追踪太阳风从太阳到地球和行星提供了完美的条件,”科罗拉多州博尔德高海拔天文台(High Altitude Observatory)的太阳科学家朱利亚娜·德托马(Giuliana de Toma)说,她领导了这次观测活动中各天文台之间的协调。“在这个时期,我们可以更容易地跟踪太阳风,因为我们没有太阳的干扰。”

几十年来,科学家们收集了这些太阳极小期的观测数据,这项工作由萨拉·吉布森(Sarah Gibson)领导,他是高空天文台的太阳科学家,还有其他科学家。对于过去三个太阳极小期中的每一个,科学家们都汇集了越来越多的太空和地面天文台的观测数据,希望关于未受干扰的太阳风的丰富数据能够揭示关于它如何形成和演变的新信息。对于这个太阳极小期,科学家们从2019年初开始在整个日球层和行星相互作用(简称WHPI)的保护伞下收集协调观测。

这一特别的WHPI活动包括了比以往更广泛的观测范围:不仅包括太阳及其对地球的影响,还包括在火星和空间的性质整个太阳系 - 所有演唱会中与帕克太阳探测器的第四和最亲密的,但飞掠太阳的

WHPI的组织者聚集了来自世界各地和世界以外的观察员。结合地球上和太空中数十个观测站的数据,科学家们有机会描绘出可能是有史以来最全面的太阳风图像:从太阳望远镜拍摄的它诞生时的图像,到帕克太阳探测器拍摄的它离开太阳后不久的样本,再到在整个空间中对其变化状态的多点观察。

继续读下去,看看太阳和太空观测站在这次国际合作中捕获的数据样本。

帕克太阳探测器WISPR

该动画由帕克太阳探测器的仪器的WISPr一个节目冕流可见光图像序列,观察当帕克太阳探测器是在1月28日近日点附近,2020年提供:NASA /约翰·霍普金斯APL /海军研究实验室/帕克太阳探测器

帕克太阳探测器

在WHPI运动节目一个太阳风系统比什么在地球附近观测可见更具活力的帕克太阳探测器的被太阳接近通早期的数据。In particular, scientists hope the full set of data — downlinked to Earth in May 2020 — will reveal dynamic structures, like tiny coronal mass ejections and magnetic flux ropes in their early stages of development, that can’t be seen with other observatories watching from farther away. Connecting structures like this, previously too small or too distant to see, with solar wind and near-Earth measurements may help scientists better understand how the solar wind changes throughout its lifetime and how its origins near the Sun affect its behavior throughout the solar system.

太阳南极射流

夏威夷莫纳罗亚太阳观测站的数据显示,2020年1月21日,太阳南极附近喷射出一股物质。这个差值图像是通过从当前图像中减去前一个图像的像素来突出显示更改来创建的。来源:莫纳罗亚太阳观测站/K-Cor

莫纳罗亚太阳观测站

帕克太阳探测器对太阳风结构的近距离观察得到了地球上和太空中的太阳观测站的补充,这些观测站有更大的视野来捕捉太阳风结构。

夏威夷莫纳罗亚太阳观测站的数据显示,2020年1月21日,太阳南极附近喷射出一股物质。像这样的日冕喷流是太阳风的一个特征,科学家们希望用帕克太阳探测器更近距离地观察,因为创造它们的机制可以更多地揭示太阳风的诞生和加速。

“这将是非常幸运的如果帕克太阳探测器观测到这个飞机,因为它可以提供信息在等离子体和该领域在射流形成后不久,“琼Burkepile说,首席科学家的日冕太阳磁场观测卫星K-coronagraph莫纳罗亚山太阳观测台仪器,它捕获了这些图像。


美国国家航空航天局美国的太阳与地球关系天文台(STEREO)用较长的曝光时间拍摄了额外的图像,以改善太阳风中的结构。这些跨越2020年1月21日至23日的不同图像是通过从当前图像中减去之前图像的像素来突出变化而创建的。来源:美国国家航空航天局/立体声

日地关系天文台

除了帕克太阳探测器和近地观测到的太阳风外,科学家还从NASA的太阳动力学天文台和太阳与地球关系天文台等航天器上获得了太阳及其大气的详细图像。美国国家航空航天局(NASA)的太阳与地球关系观测站(STEREO)可以从距地球约78度的有利位置上清晰地观察到太阳。

在这次WHPI活动中,科学家们利用了这种独特的视角。从1月21日至23日,当帕克太阳探测器和STEREO对准时,STEREO任务小组增加了日冕仪拍摄的图像的曝光长度和频率,揭示了当它们从太阳加速离开时,太阳风中的细微结构。

这些不同的图像是通过从当前图像中减去先前图像的像素来突出变化而产生的——在这里,显示了一个小的日冕物质抛射,否则很难看到。


美国国家航空航天局(NASA)的太阳动力学观测站一直在关注着太阳。这些图像是用极紫外光波长拍摄的,时间跨度为2020年1月15日至2月11日。来源:美国国家航空航天局/ SDO

太阳动力学观测卫星

太阳动力学观测站(SDO)拍摄了整个太阳的高分辨率照片,揭示了太阳表面和太阳低层大气的细节。这些图像是在171埃的极紫外光波长下拍摄的,突出了太阳外层大气中安静的部分——日冕。这些数据——连同SDO在其他波长的图像——绘制了太阳活动的大部分地图,使科学家能够将帕克太阳探测器和其他航天器的太阳风测量数据与它们在太阳上的可能起源联系起来。


建模的数据

太阳开放磁场

太阳的“开放”磁场——在这个模型中以蓝色和红色表示,以黄色表示的环形或闭合磁场——主要在太阳活动极小期来自太阳的南北两极附近,但它会扩散到太阳赤道附近汇聚的空间。来源:美国国家航空航天局/尼克阿尔该

理想情况下,科学家们可以利用这些图像来准确定位太阳上产生帕克太阳探测器所测量的特定太阳风流的区域,但要确定航天器所观测到的任何给定太阳风流的来源并不简单。总的来说,引导太阳风运动的磁力线从太阳的北半部流出,指向与太阳的南半部相反的方向。2020年初,帕克太阳探测器的位置正好在两者之间的边界——一个被称为日球流片的区域。

“For this perihelion, Parker Solar Probe was very close to the current sheet, so a little nudge one way or the other would make the magnetic footpoint shift to the south or north pole,” said Nick Arge, a solar scientist at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. “We were on the tipping point where sometimes it went north, sometimes south.”

预测帕克太阳探测器处于引爆点的哪一边是建模团队的责任。利用我们对太阳磁场的了解以及我们从遥远的太阳图像中收集到的线索,他们每天都精确地预测太阳上哪一处产生了太阳风,帕克会在某一天飞过。几个建模小组每天都试图回答这个问题。

通过测量太阳表面的磁场,每个小组每天都对帕克太阳探测器飞过的太阳风的来源区域进行预测。

ARGE与Shaela琼斯,在美国宇航局戈达德太阳能科学家,谁的WHPI竞选期间所做的日常工作预测,使用最初由ARGE和同事忆明宏和尼尔Sheeley开发了一个模型,名为WSA模型。According to their forecasts, the predicted source of the solar wind switched between hemispheres suddenly during the observation campaign, because Earth’s orbit at the time was also closely aligned with the heliospheric current sheet – that region where the direction of magnetic polarity and the source of the solar wind switches between north and south. They predicted that Parker Solar Probe, flying in a similar plane as Earth, would experience similar switches in solar wind source and magnetic polarity as it flew near the Sun.

WSA模型运行

这个由Nick Arge和Shaela Jones使用WSA模型制作的模型演示了几天后将影响地球的太阳风的预测来源,时间跨度为2020年1月10日至2月3日。太阳南北两极附近的彩色区域表示太阳风流出的区域,红色区域表示流速较快,蓝色区域表示流速较慢。太阳上的黄线将磁极相反的区域分开。白线表示预测的太阳风在给定日期到达地球的起始点。这张黑白相间的图像显示了太阳表面的磁场分布图,这是模型预测的基础。黑色区域是磁场向内指向太阳的地方,白色区域是磁场向外指向太阳的地方。图片来源:NASA/尼克·阿吉/谢拉·琼斯

太阳风模型依赖于每天对太阳表面磁场的测量——下面的黑白图像。这个特殊的模型使用了来自国家太阳观测站全球振荡网络小组的测量数据,以及一个专注于预测太阳表面磁场在几天内如何变化的模型。创建这些地磁地图本身就是一个复杂而不完美的过程,参与WHPI运动的一些建模小组也使用了来自多个天文台的磁测量数据。这一点,加上每个小组模型的不同,形成了一种广泛的预测,有时把帕克太阳探测器的太阳风流的来源放在太阳的两个不同半球。但考虑到建模太阳风来源的固有不确定性,这些不同的预测实际上可以使运行更加可靠。

“如果你能用两个望远镜在两个不同的地方观察太阳,你就有更好的机会找到正确的位置,”琼斯说。


扑克平非相干散射雷达

太阳风携带着巨大的能量和嵌入太阳的磁场。当它到达地球时,它会使地球的自然磁场像铃声一样响起,使其弯曲和变形——这就会在地球表面的某些点产生可测量的磁场强度变化。我们之所以跟踪这些变化,是因为磁场振荡可能会导致一系列空间天气效应,干扰航天器,甚至偶尔会干扰地面的电网。

自19世纪50年代以来,大量的地面磁力计一直在追踪这些效应,科学家们正在为这场运动收集许多数据,这些数据就是其中之一。其他陆基仪器可以揭示大气中空间天气的无形影响。其中一个系统是扑克平非相干散射雷达,简称PFISR,这是一个雷达系统,位于阿拉斯加费尔班克斯附近的扑克平研究范围。

该雷达是专门调整,以检测在地球磁场干扰的最可靠指标之一:在地球的上层大气中的电子。当被困在磁层粒子是由一系列复杂事件,一组被称为磁层亚暴的情况下的发送变焦地球大气层创建这些电子。

1月16日,PFISR测量了在一次这样的亚暴期间地球上层大气中电子的变化。在亚暴期间,粒子级联进入上层大气,不仅产生了雷达测量到的电子簇射,还产生了更明显的效果:极光。PFISR使用多束指向不同方向的雷达波束,这使科学家能够建立一个大气中的电子在整个亚暴过程中如何变化的三维图像。


位于阿拉斯加扑克平原的非相干散射雷达对地球上层大气中的电子进行了三维测量。这些电子是由产生极光的相同过程产生的,如图所示,这是扑克平面全天天空相机拍摄的阿拉斯加上空的极光,摄于2020年1月16日。资料来源:扑克平非相干散射雷达(NSF)/扑克平全天候摄像机(阿拉斯加费尔班克斯大学)/唐·汉普顿

由于这次亚暴发生在观测活动的早期——仅在数据收集开始后的一天——它不太可能是由观测活动期间观测到的太阳条件引起的。但即便如此,磁层亚风暴和更广泛的、由太阳风造成的全球范围的效应——被称为地磁暴——之间的联系还没有完全被理解。

“这个亚风暴并不是在地磁风暴期间发生的,”Roger Varney说,他是位于加州门洛帕克的SRI国际研究所PFISR的首席研究员。“在这次事件中,太阳风是波动的,但不是特别强烈——它基本上是背景噪音。但是太阳风基本上是不稳定的;它不断地向磁层中注入一些能量。”

这种能量在地球磁系统中的沉积具有深远的影响:例如,地球上层大气的组成和密度的变化会干扰通信和导航信号,这种影响的特征通常是总电子含量。密度的变化也会在很大程度上影响卫星的轨道,导致精确位置的不确定性。


MAVEN

地球并不是唯一一个太阳风有可测量影响的星球——研究太阳系中的其他星球可以帮助科学家了解太阳风对地球的一些影响,以及它是如何影响整个太阳系历史上地球和其他星球的进化的。

在火星上,太阳风加上火星缺乏全球磁场,可能是导致这个红色星球现在干燥、贫瘠的主要原因。尽管火星曾经很像地球——温暖,有液态水和厚厚的大气层——但在它40亿年的历史中,这颗行星发生了巨大的变化,它的大部分大气层被剥离到了太空中。通过在地球上观测到的类似过程,科学家们利用对火星上太阳-行星相互作用的了解,来确定导致大气逃逸的过程如何能够改变一颗行星是否适合居住。如今,火星大气和挥发性演化任务(MAVEN)在火星上研究这些过程。在火星上的MAVEN观测可用于最新的WHPI活动。


在接下来的几个月里,世界各地的太阳物理学家将开始深入研究来自这些观测站的数据,希望从中找到联系,揭示有关太阳及其影响地球和整个太阳系空间的变化的新知识。

帕克太阳探测器是美国宇航局太阳物理学与恒星生活项目的一部分,探索太阳-地球系统中直接影响生活和社会的各个方面。“与星同生活”项目由位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心管理,隶属于位于华盛顿的NASA科学任务理事会。位于马里兰州劳雷尔的约翰·霍普金斯应用物理实验室(Johns Hopkins Applied Physics Laboratory)为美国国家航空航天局(NASA)设计、建造和操作航天器,并管理此次任务。

本故事中讨论的研究包括扑克平面非相干散射雷达的支持工作,该雷达是由国家科学基金会通过与SRI国际的合作协议AGS-1840962资助的一个主要设施,以及由国家科学基金会资助的国家大气研究中心的工作合作协议ags - 1852977。对WHPI运动的支持是通过NASA的太阳物理系统天文台连接(HSO连接)项目提供的。

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