太阳探测飞船：揭秘太阳之谜

2023-08-14 理论教育版权反馈

【摘要】：纵观过去30年来发射的各种宇宙探测飞船，我们会发现，它们无一例外地都在太阳黄道面内运动。所有这些使科学家们感兴趣的问题，迫使科学家要发射能探测太阳南、北两极地区的探测飞船。耗资7．5亿美元的尤里西斯号太阳探测飞船计划是由美国宇航局和欧洲宇航局联合发起的。1990年10月6日，尤里西斯号太阳探测飞船由美国发现号航天飞机在太空成功施放。

在太阳系九大行星中，迄今为止，除了冥王星外，其余行星和它们的主要卫星都有许多探测飞船临近进行过考察，研究了它们的运行环境、大气层和电离层特性，星球物质构成以及物理化学组成；拍摄了许多清晰照片，研究了它们的地质结构、表面形状、星球演变、有无生命存在的可能性等，获得了许多信息，揭开了许多奥秘，把人类对行星本身以及太阳系演变的了解，推上了前所未有的高度。那么，是否可以说，我们对太阳系的了解已经差不多了呢？回答是否定的。

纵观过去30年来发射的各种宇宙探测飞船，我们会发现，它们无一例外地都在太阳黄道面内运动。黄道面，即地球绕太阳公转的轨道面。其他行星运行的轨道面与地球运行的轨道面相交角度也很小；不仅如此，太阳赤道面也在这平面内。这样，我们也就发现，过去对太阳系的探测都是局限在太阳赤道的附近区域，而对其他区域，特别是对太阳的南、北两极区域还没有了解，这不能不说是一个很大的空白。

太阳两极和黄道面之外的区域里，也许有着开启太阳系秘密宝库的钥匙。那里有许多奥秘使科学家们感兴趣。例如，在太阳系范围内，行星际物质的分布不一定是均匀的。60年代发射的先驱者6号至9号4艘探测飞船的观测表明，它很可能是随太阳磁场作螺线形分布。若如此，在黄道面外面，行星际物质又是如何分布的呢？

又例如，被称为冕洞的日冕，也即太阳最外层大气又是怎么一回事？为什么其温度和密度比周围地区低得多？冕洞是如何形成的？特别令科学家感兴趣并迷惑不解的是，极区冕洞常年存在，其面积之和是相当稳定的，约为太阳表面总面积的15%左右，当一个极区的冕洞面积扩大时，另一个极区的就相对缩小。冕洞是太阳磁场的开放区域，那里的磁力线向太阳以外的空间张开。日冕稳定地向外膨胀，使得质子等热电离气体粒子顺着磁力线持续不断地从日冕向行星际空间流出，成为太阳风。冕洞就是太阳风的风口。行星磁场结构和地磁扰动等物理现象，受太阳风的影响很大，在太阳风的劲“吹”下，地球磁场受到压缩，被限制在一定的空间范围之内，那就是磁层。更进一步全面探测太阳风，对深入了解日地关系是非常重要的。太阳出现大耀斑时，大量高能带电粒子（太阳宇宙线）从冕洞向外涌出，影响地球，等等。所有这些使科学家们感兴趣的问题，迫使科学家要发射能探测太阳南、北两极地区的探测飞船。在这样的客观需求背景下，就产生了所谓的“尤里西斯”计划。耗资7．5亿美元的尤里西斯号太阳探测飞船计划是由美国宇航局和欧洲宇航局联合发起的。西欧宇航局提供探测飞船及其配备的一半仪器；而美国宇航局则提供另一半仪器以及发射手段和地面观测跟踪服务。1990年10月6日，尤里西斯号太阳探测飞船由美国发现号航天飞机在太空成功施放。尤里西斯号探测飞船，重380千克，其中55千克为仪器设备，占飞船重量的15%。它的主要任务有：研究太阳风和太阳磁场的三维结构图像，日冕、耀斑、太阳各种电磁辐射、行星际气体的空间分布、星际空间、宇宙尘、伽马射线爆发源以及引力波等。

尤里西斯太阳探测飞船的飞行路线有何特点

要使探测飞船离开黄道面，实现起来并不那样容易，它必须具备很高的速度。70年代，引力支援技术得到充分发展之后，把探测飞船送出黄道面才有了可能。同时也决定了它必须在太空沿着弧形线路，先飞向木星并借助木星的强大引力支援再飞向太阳。

美国发射的先驱者11号和旅行者1号、曾分别在1979年和1980年，受到土星引力影响而偏了轨道，偏离黄道面分别达到17度和40度，但对于要有效观测太阳南、北两极的尤里西斯探测飞船来说，这种偏转还远远的不够，这里要求作90°的方向改变，才能满足要求。因此，科学家精心设计并安排了尤里西斯独特的飞行路线：1990年10月发现号航天飞机将尤里西斯送入飞向木星的弧形轨道，速度每秒15．4公里，加上地球运行速度，相对太阳来说，其速度是每秒45．2公里，大约飞行16个月，也即在1992年2月抵达木星区域。这时离地球约6．69亿公里，距离木星1060万公里。为了使探测飞船充分利用木星的强大引力作用，获得速度支援并把轨道航向偏转90度，同时避免离木星太近而被它俘获，经过科学家精确计算，尤里西斯于2月8日先飞入距离木星表面37．8万公里的最低轨道，并用17天时间探测木星的磁场以及木星表面的等离子体、无线电波和X射线。此后，尤里西斯号将借助木星强磁场的作用，偏转航线，脱离由太阳系行星绕太阳运转构成的轨道平面，即进入垂直于黄道面的轨道面内飞行，成为经过两极地区飞行的太阳人造行星，这时它相对太阳的速度已达每秒126公里。

尤里西斯将在过去任何探测飞船从未到过的这部分太阳系空间里进行探测并邀游两年多时间，于1994年5月25日到达太阳南纬70度上空，用大约4个月时间飞越太阳南极区域并对该极区进行首次三维立体观测。1995年2月初，尤里西斯由南而北，于离太阳2．2亿公里处跨越太阳赤道，在同年5月26日，飞抵太阳北纬70度地区上空，也用4个月时间对太阳北极及其附近区域进行探测。1995年9月，它从太阳北纬70度地区上空飞离太阳北极区。经过5年的旅行，结束对太阳极区的探测考察任务后，尤里西斯便进入广漠的行星际空间。

太阳探测飞船：揭秘太阳之谜

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