看到太阳背面

2009年7月22日发生的本世纪持续时间最长的日全食,激发起人们对太阳观测的兴趣。不过,通常的观测只能看到太阳的一面,科学家却希望能同时看到太阳的另一面。他们能做到吗?

对于有幸观测到日全食的人来说,日全食期间在太阳周围出现的美丽日冕一定给他们留下了深刻的印象。日冕是太阳最外层大气中的一种强烈的喷发现象。太阳以大约每秒450千米的速度向外抛射日冕物质,一次就可以把上千万吨日冕物质抛进行星际空间。对于地球来说,这些日冕物质犹如来自太阳的“天兵天将”,它们到达地球附近后,会对地球产生一系列影响。比如生活在地球高纬度地区的人们经常看到的美丽极光,就是太阳抛射的日冕物质中的高能粒子流在地球南北极上空制造出来的。

1956年2月23日,一艘在格陵兰海域游弋的英国军舰突然与岸上失去联系,任凭岸上的电台怎么呼叫也没有回音,人们都以为军舰遇难沉没了,可当人们为“死难者”料理后事时,军舰却平安地回来了。后来查明,原来是太阳高能粒子流和人们开了一个玩笑——太阳高能粒子撞击地球磁层,触发了巨大的地磁暴(简称磁暴),导致强烈的真空放电和高压电弧放电现象,破坏地球的电离层,使得短波无线电通信失去天然反射器,于是短波无线电通信设备就变成了聋子和哑巴。

二战期间一名德军士兵之死也与太阳物质抛射有关。在一次战役中,德军报务员布鲁克受命把一份作战命令发给作战指挥官,可他在发报时,任怎样呼叫,耳机里都没有一点声音,检查发报机也没有发现什么毛病。由于命令发不出去,德军在战场上失去统一指挥,陷入混乱,最终导致了这次战役的失败。布鲁克后来被处死刑,可怜的他至死都没弄明白自己送命的原因。其实,这也是太阳惹的祸。

除了影响通讯,太阳高能粒子流还可能产生一系列破坏,比如会使指南针激烈跳动,造成依靠罗盘定向的航海、航空和野外行走的人迷失方向;会损坏人造卫星上的仪器设备,降低人造卫星的飞行高度,威胁宇航员的人身安全;会使地面电网中电流过载,导致供电中断和输油管爆裂。由于在磁暴期间有大量紫外线涌到地球附近,因此还可能对人体健康带来危害(过量照射紫外线会导致皮肤癌)。

除了高能粒子流,太阳活动还会产生太阳黑子、太阳耀斑、太阳风暴等对地球影响巨大的爆发事件。

由上可知,研究太阳活动及其对地球的影响,不仅具有巨大的科学意义,而且还有重要的实用价值。其实,早在20世纪初,天文学家就开始和地磁观测者联手探索太阳活动对地磁的影响。可是,天文学家“坐地观天”,至多只能看到半个太阳,要想观看太阳的全部只能依靠太阳自转。太阳自转1周需要25.4天,也就是说,每经过25.4天才能对太阳浏览一遍,而太阳上发生的事件多数是短暂的,在短短几天时间内,太阳黑子就可以完成爆炸、重组和消失的全过程,冕洞可以开放和封闭,磁力线可以拉直和断开,炽热的气体云可以喷射进太阳系,等等。仅仅依靠“坐地观天”,科学家连这些事件中的一半都看不到,不仅看不到它们在何时何地发生、它们离开太阳以后如何传播和演化,而且也看不到它们何时来到地球附近,对地球进行何种骚扰。

后来,科学家发射人造卫星和空间探测器来研究太阳活动,这些人造卫星和空间探测器或者在太阳附近探测,或者在行星际空间探索,或者在地球磁层内外巡查。早期的观测都集中在太阳赤道附近。1990年,美国宇航局发射“尤里西斯”探测器,它飞越太阳两极上空,直接对太阳高纬度区域进行了探测。2004年,我国科学家与欧洲空间局联合实施 “双星计划” ——一颗卫星几乎沿赤道飞行,另一颗几乎沿极轨飞行,轨道面几乎垂直的两颗卫星对地球磁层内外进行测量。20世纪末,一项叫做“日地关系观测站”(简称STEREO)的太阳观测任务开始实施。

作为是目前美国宇航局最精良的太阳观测站,STEREO的主要任务是了解日冕物质抛射等太阳活动的性质,包括日冕物质抛射产生的过程和机制、通过日球的传播特征;发现高能带电粒子在内日冕和行星际介质中的加速机制和加速位置;对已经定出的周围太阳风结构进行修正。

与以前的探测器不同,STEREO不是单独的一颗卫星或一个探测器,而是部署在太阳两侧的A和B两艘几乎完全相同的飞船,利用它们在轨道上对太阳进行立体测量。

两艘飞船于2006年由一枚德尔塔Ⅱ火箭发射进入各自轨道。用一枚火箭发射两艘飞船在世界上还属首次,应用这项新技术的关键是利用“月球摆动”。设计者巧妙地借助月球引力使飞船改变方向,进入自己的轨道。发射后前3个月,两艘飞船在近地点位于地球附近、远地点位于月球轨道之外的高度椭圆轨道上飞行。

2006年12月15日,两艘飞船同月球相遇,B船距离月球很近,借助月球引力改变方向,飞到地球“后面”的轨道上。2007年1月21日,A船再次与月球相遇,借助月球引力改变方向,进入地球“前面”的轨道上。这样,A、B两船一前一后地在地球两边的轨道上绕太阳飞行。A船速度快,347天绕太阳1圈,B船速度慢,387天绕太阳1圈。A船-太阳-地球所成的角每年增加21.650度,B船-太阳-地球所成的角每年减少21.999度。因此,两艘飞船自动分开,每年分开44度。

飞船在轨道上不停地飞行,不停地分开。当分开的角度达到360度时,两船执手相会,之后又挥手告别。请注意,两艘飞船都是在围绕太阳的轨道上运行的。由于速度不同,它们在运行中相互之间的距离不断改变,它们到太阳的距离也不断改变。

两船分开90度、180度和270度时,是观测太阳的最佳时间。2009年1月24日,A、B两船分开90度,位于日面边缘的A船和位于日面中心的B船分别观测到太阳物质的抛射形态,获得了太阳的立体观测数据。这些观测数据的意义非常重大,不仅告诉了科学家太阳物质抛射的强弱,而且揭示了日球的形态。

2011年2月6日,两艘飞船将分开180度,分别位于太阳的两边,因此将是A、B两艘飞船观测太阳的另一个最佳时间,它们将各自“看”到半个太阳表面。也就是说,届时如果两艘飞船同时对太阳进行观测,整个太阳便一览无余,这将是人类第一次观测到整个太阳的活动情况。

2015年,一艘飞船将飞到太阳的背面,在几个月的时间里地球上将接收不到它传回的数据。不过,当它越过180度,船上的发射天线又指向地球上的高增益接收天线时,它就又能向地球发射数据了。此后,两艘飞船继续分开并向地球靠拢,当它们分开270度时,情况将与90度时相似。2023年,飞船将最接近地球。

STEREO的成功运行,结束了人类只能看到半个太阳的历史,开创了观测整个太阳的时代。在两年多的时间里,两艘飞船已传回一批有用的图像资料,这是前所未有的重大成就。现在,两艘飞船已检测完270度以上的太阳经度,超过了太阳表面的3/4,它们将继续测量太阳表面的剩余部分。可以设想,STEREO将给科学家带来更多的惊喜。

太阳结构和太阳活动

太阳的结构:太阳用它的光和热为地球和太阳系其他天体提供能源。太阳能量来自它的内部,因为那里有1500万℃的高温,不停地发生热核反应。太阳内部产生的能量通过对流(物理学上的一种传递能量的方式)变成光和热并向外辐射。太阳外面是大气,分为光球、色球和日冕三层。光球是我们看到的太阳圆面,是最里层的太阳大气,温度为6000℃,太阳光就是从这里发出的,太阳黑子也出现在这里。色球是中间层,温度为4800℃～8000℃,这里是太阳活动的“中央舞台”,许多太阳活动都发生在这里。日冕是最外层,它有百万度的高温(日冕温度为什么这么高?至今还是一个谜)。日冕又分为内日冕和外日冕两部分。内日冕与色球相邻,外日冕是延伸到行星际空间的太阳大气。由于日冕具有极高的温度,所以里面的物质都被气体化了,变成一种叫“等离子体”的东西。太阳以大约每秒450千米的速度向外抛射日冕物质,一次就可以把上千万吨日冕物质抛进行星际空间。日冕物质极其稀薄,不仅人的肉眼看不到,一般的仪器也观测不到,需要用特制的日冕仪才能拍摄到它的图像。不过,在日全食期间,当日面的光辉被月球全部挡住时,在月影周围可以看到它淡淡的辉光。

太阳黑子:从望远镜里看,太阳黑子是璀璨日面上的暗黑斑点。实际上,它是光球上局部炽热气体在高速运动中形成的巨大漩涡。由于这里的温度比周围低1500℃左右,显得比周围的区域要暗,所以被称为太阳黑子。太阳黑子是太阳活动最重要的标志之一。

冕洞:是日冕上辐射比较弱的区域,这里的亮度比周围区域暗得多。冕洞是太阳的神秘区域,它像灯塔一样,每当它转向地球时,地球上就会发生磁暴。冕洞之所以神秘,是因为它那里的磁场是开放磁场,引起地球磁暴的太阳风就是从那里“吹”出来的。

太阳风:是从日冕抛向行星际空间的带电粒子流,其主要成分是质子、电子和α粒子。太阳风就像一座灯塔,照耀着地球及太阳系其他天体。每当从冕洞“吹”出来的高速太阳风到达地球附近时,地球上就会“怪事”连连。

太阳风暴:是一种激烈的太阳活动,常与激烈的太阳黑子活动、太阳耀斑和日冕物质抛射相伴而生。太阳风暴既发射大量带电粒子流,也发射多种电磁波,包括射电波、光波、紫外线、X射线和伽玛射线等,它们是来自太阳的“天兵天将”,当它们到达地球附近后,地球上就会发生许多地球物理现象,如磁暴、极光、电离层扰乱等。因此,太阳风暴是一种破坏力很大的空间天气现象。

“日地关系观测站”搭载的测量仪器

“日地关系观测站”(STEREO)的两艘飞船所搭载的测量仪器相同,都由以下四个部分组成。

研究太阳与地球之间的日冕和日球的仪器。其任务是研究日面物质从太阳表面出发,经过日冕和行星际介质到达地球的三维演化。这组仪器由五架照相机组成:一架极紫外照相机(通常称作EUV照相机),用来拍摄太阳紫外像;两架白光日冕仪,用来摄取日面和内、外日冕像;两架日球成像仪,用来拍摄太阳与地球之间的日球像。

就地测量粒子和日冕物质抛射的瞬时变化测量仪。用于研究高能粒子、太阳风电子的三维分布和行星际磁场,也就是研究日球的三维结构。

等离子体和超热离子成分测量仪。用来研究质子、α粒子和重离子的等离子体特征。

射电爆发接收器。用来研究从太阳到地球轨道沿途的射电干扰。

上述仪器能够测量太阳风的速度、方向和成分,接收太阳大气中爆炸和激波辐射的无线电信号,拍摄太阳表面图像和表面上一切剧烈风暴图像,检测太阳外层大气中的事件。使用这些仪器,不仅能对太阳背面进行观测,而且能用于感觉、试验和收听。

追踪忒伊亚小行星探索月球起源之谜

除了观察太阳,“日地关系观测站”(STEREO)还附带了另一个任务:寻找一颗名叫“忒伊亚”的古老行星。有趣的是,其实这只是一颗存在于天文学家的假想之中的星,目前还没有证据可以证明它的存在。科学家为什么要花那么大的力气寻找它呢?是因为他们希望通过研究它,破解一个重要的科学之谜——月球是怎样形成的。

碰撞假说

上世纪美国和苏联从月球上取回的月岩样品告诉我们,月球的年龄大约为46亿岁,也就是说月球是跟地球乃至整个太阳系同时产生的。那么,月球是怎样形成的呢?关于这个问题,天文学家长期以来一直争论不休。

对于月球的起源,历史上曾经出现过许多假说,主要有三类:一是分裂说,认为月球是从地球外部分裂出去的;二是俘获说,认为月球原先是环绕太阳运行的一颗行星,走近地球时被地球引力俘虏,变成了地球的卫星;三是双星说,认为月球与地球是同一块弥漫星云聚集而成的两个天体。

上述假说虽然都各自解释了一些月球的观测现象,但却不能圆满解释所有的观测资料。近年来,随着对月球起源的研究越来越深入,理论家普遍认为,碰撞假说解释了比较多的观测数据。

碰撞假说来自英国天文学家兼数学家乔治·霍华德·戴维的假设。1898年,戴维提出一个假设:月亮和地球曾经是一个天体,熔化的月球(注:现在的月球是一个固体的星球,但在月壳里富含斜长岩成分,在月岩样品里还发现了丰富的克里普岩,这些事实表明月球的大部分曾经是熔融状态)是因地球旋转的离心力从地球上抛射出去的地球物质。

戴维用牛顿力学推算出,过去的月球轨道实际上是接近地球的,月球是从地球飘移出去的。这种飘移在上世纪60、70年代,被美国和苏联放在月面上的激光器的测量结果所证实。但是,戴维没能解决描述月球向地球靠拢的机制。1946年,哈佛大学教授戴利对戴维的假设提出了修正,指出造成月球飘移的不是离心力,而是撞击。从此,“撞击”一词进入月球起源理论。戴利的修正最初并没有引起人们的关注,直到1974年,在一次卫星会议上,碰撞理论才引起了理论家的重视。1975年,著名天文杂志《伊卡洛斯》重新发表了有关碰撞假说的文章。此后,碰撞理论在天体物理界的地位节节攀升。

现代碰撞假说是由美国普林斯顿大学理论家爱德华·比伯罗诺和理查德·戈特提出的。他们在总结前人工作的基础上,将碰撞理论概括为:太阳系是由原始星云形成的,在太阳系形成初期,原始星云先聚集成大小不等的固体星子,由星子聚集成行星(所谓星子,即小行星大小的行星形成物质)。地球型行星在由星子形成后,内部结构分为核、幔和壳,对地球来说,就是地核、地幔和地壳。月球亦然,只是月核比较小,月幔分成上、中、下三层。美国和前苏联从月面取回的岩石样品表明,月壳的主要成分是由熔岩形成的,其形成能量很可能来自碰撞,因为碰撞比较容易提供能量。另外,月核比较小,其半径据推算不到月球半径的25%,而大多数地球型行星的星核半径都达到了行星半径的50%。比较这些数据可以认为,形成月球的物质主要来自地幔和被吸积到地球的撞击体的星核。

那么,这个撞击体又是什么呢?这是一个科学之谜。碰撞理论认为,地球在年轻时期受到一颗火星大小的古老星子(又叫原始行星)的撞击,这个星子叫“忒伊亚”(“忒伊亚”一词来自希腊神话,是生育月亮女神塞勒涅的巨人的名字)。这里所说的“撞击”不一定指两个天体的迎面相撞。在天文学上,凡是一个天体从另一个天体的旁边飞过,对另一个天体产生了较大的引力影响,都可称之为“撞击”。

忒伊亚和地球的撞击就属于天文学意义上的撞击:忒伊亚以中等速度倾斜着从地球身旁“擦肩而过”。撞击之后,忒伊亚的铁核沉入年轻的地核,而大部分忒伊亚幔物质,以及相当一部分地幔和地壳物质被抛进环绕地球的轨道,并在很短时间内(可能不到1个月,最长不超过1个世纪)快速合并成月球。

能找到撞击体吗

碰撞假说虽然很好地解释了月球的谜一般的特征,例如月核比较小、比较重,主要由铁元素构成,外部元素比较轻,等等。但是,忒伊亚只是一颗假想中的原始行星,从未有人见过它,怎样才能证明在地球周围真的存在过这样一颗行星?

许多学者都相信忒伊亚是存在的,并认为它形成于45亿年前,是跟太阳系里的其他行星一起形成的,形成地点就在拉格朗日点L4或L5区域。

拉格朗日点是太阳与地球之间的一些特殊的空间区域,在这些区域,太阳和地球的引力结合在一起,形成一些“引力阱”,这些“阱”有可能聚集太空飘浮物。拉格朗日点是由18世纪的意大利数学家约瑟夫·拉格朗日证明出来的。他指出,在日-地系统(太阳和地球构成的统一系统)中一共有5个拉格朗日点,记为L1、L2、L3、L4和L5。在太阳还很年轻时,拉格朗日点主要被星子所占据。

提出现代碰撞假说的比伯罗诺和戈特指出,在L4或L5的任何一点上,星子都可以自己聚集成忒伊亚。他们用计算机进行模拟,结果显示,如果忒伊亚形成于L4或L5区域,由于那里的力是平衡的,将积累起足够的物质支持忒伊亚成长。忒伊亚形成后,由于正在发展的其他行星(例如金星)日益增长的引力作用而被推出诞生地,并在诞生地周围与年轻的地球发生碰撞。不过,当忒伊亚的质量积累到超过一定极限时,忒伊亚同地球之间的引力增大,较大的引力将它们“锁住”,于是碰撞停止。

寻找忒伊亚小行星

碰撞假说能否成立,关键在于撞击体——忒伊亚是否真正存在过。在这方面,前人进行过许多探索,但一无所获。现在,(STEREO)准备在这方面小试 “牛刀”,即在完成探测太阳的主要任务的同时,附带寻找一下忒伊亚小行星。所谓“忒伊亚小行星”,是指小行星大小的忒伊亚剩余物质。

科学家的想法是,如果忒伊亚真的存在过,那么当它的本体在撞击中消失后,仍可能有一些剩余物质还停留在L4或L5区域,只要探测器进入这两个区域,就有可能搜索到忒伊亚剩余物。

以前,科学家曾在地面用望远镜寻找过忒伊亚小行星。地面观测只能拍摄直径在千米以上的小行星图像,而这样的图像至今没有拍摄到。主持STEREO任务的科学家认为,地面观测结果只能说明不存在千米以上的小行星,但并不能排除存在千米以下小行星的可能性。实际上,进入L4和L5区域的大多数天体可能都是比较小的。STEREO的飞船可以对它们进行近距离的观察,而且在两艘飞船分开180度时,它们能对L4和L5区域进行一系列曝光时间长达两小时的拍摄,有可能捕捉到地面观测看不到的较小较暗的天体。如果届时在L4或L5区域发现了若干小行星,再引导别的飞行器去详细分析这些小行星的成分,如果在分析中发现小行星成分与地球和月球的成分相同,就意味着找到了忒伊亚小行星,也就可以认为那里确实曾经形成过忒伊亚,碰撞理论将由此得证。

2009年3月,两艘几乎完全相同的STEREO飞船进入L4和L5区域,开始用大视场望远镜搜寻小行星。事实上,这样的小行星是不难寻找的,因为它们围绕太阳运动,而且距离地球不远,它们相对于恒星背景的移动可以看得出来。如果在望远镜视场里发现一个亮点相对于恒星背景在移动,它就是小行星。

在前几个月的探测中,探测器似乎还没有见到任何天体,但这项研究还要继续几个月。需要指出的是,拉格朗日点并不像其名字所说的那样只是空间的一些无限小的点,而是5000万千米宽的广阔领域,探测器目前还仅在其外围探测,计划到2009年9～10月,它们才会接近"引力阱"底部,未来还要进行许多观测。让我们等待其探测结果吧,届时不管找到或没找到,都将为碰撞假设提供证据,证明它是正确的还是虚无的。