太阳科学在月球上前景广阔

发布日期:2019-10-12 作者:责任编辑NO。许安怡0216

这张月球凌日的图片,由美国国家航空航天局(NASA)太阳动力学观测站(Solar Dynamics Observatory,SDO)于2017年8月21日拍照的171埃的极紫外光和可见光图画混合构成。

版权:NASA/SDO

NASA致力于在2024年之前完成阿尔特弥斯(Artemis)登月方案有许多原因:这是研讨月球自身并为通往火星奠定安全根底的重要途径。一起,也是一个学习更好的维护地球的好当地 ,地球是更大的太阳-地球体系的一部分。

太阳物理学家 - 即研讨太阳及其对地球影响的科学家 - 也将发射他们自己的NASA使命,作为Artemis方案的一部分。他们的方针是更好地了解地球周围杂乱的太空环境,其间大部分是由太阳的能量所驱动的。咱们对这个体系了解得越多,就越能维护太空技能、无线电通讯和共用电网不受离咱们最近的恒星的要挟。

太阳物理学家对在月球上的时机感到欣喜若狂有如下五点原因:

1. 她是一颗安稳的卫星

以月球为根底的科学的第一个优势涉及到卫星颤振,这使各个领域的太空科学家都感到不安。

当月球绕地球公转时,它以相同的速度自转 - 这是潮汐确认的一种特殊情况,被称为同步自转(synchronous rotation)。因而,月球总是以同一面朝着地球。

版权:NASA科学可视化工作室(NASA's Scientific Visualization Studio)/厄尼 赖特(Ernie Wright)

卫星比你幻想的更不安稳。它们由跟着温度改变而胀大和缩短的金属制成。它们带着的望远镜不断地旋转以保持在瞄准方针的状况。它们点着助推器,旋转反效果轮以保持在轨迹上。这些操作中的每一个都会引起卫星颤振,然后影响有精度要求的丈量。

但作为地球仅有的天然卫星,月球的运转要平稳得多。

坐落马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的太阳物理学家大卫 西贝克(David Sibeck)标明:“月球是一个十分安稳的当地 - 它不像航天器那样颤动或颤振。任何企图进行高分辨率丈量的人都会对不必忧虑颤振感到高兴。”

关于一切的太空科学来说,没有颤振的环境是一个加分项,可是关于研讨极光的太阳物理学家来说,还有额定的加分项。月球间隔地球的均匀间隔为238,855英里,当极光在强烈的地磁暴下向赤道方向转移时,在月球上能够以很好的视界观测极光。此外,由于月球的总是以同一面朝着地球,望远镜简直不需求调整。把望远镜安顿在月球外表,月亮会“主动”协助你使其瞄准地球。

2. 最好的日食欣赏,按需发明

早在太空时代之前,科学家们就依托月球来协助他们研讨太阳。耐性的观察者等候着日全食,这时月亮遮住了太阳亮堂的外表。只要这个时分,他们才干看到被称为日冕的淡薄外层大气。

日全食动画。

版权:NASA戈达德太空飞行中心( Goddard Space Flight Center)/概念图画实验室(Conceptual Image Lab)

但或许需求等候好久。地球上的某个当地发作日全食的频率大约为每18个月一次。关于恣意的特定地址,发作日全食的概率更像是每四百年一次。

Goddard的太阳物理学家约翰 库珀(John Cooper)标明:“咱们从日食中得到了十分棒的数据。但咱们无法每天都能得到这种数据。”

可是,在正确的月球轨迹上的太阳观测望远镜,能够“按需”发明日食。Cooper解释道,与其等着月亮穿过望远镜的视野,你能够把自己的视野移到月亮后边。

Cooper标明:“大致来说,你是在用月球边际的刃边来对着乌黑的天空。”由于月球没有使图画歪曲的大气层,所以丈量成果乃至比地球上的还要明晰。

从它的近间隔轨迹来看,这样的望远镜不会发明日全食 - 它一次会研讨太阳边际的一部分。但Cooper估量,在每一次绕行中,你能够一起看到太阳的东侧和西侧边际。

3. 它在地球磁场之外

太空气候是太阳物理学中纯科学得到实时使用的一部分。太空气候科学家研讨太阳 - 包含它继续的太阳风 - 以及它们对地球的影响。这些使用研讨人员有必要正确把握根本的物理常识,以确保咱们名贵的通讯和GPS卫星的安全。可是确认一颗卫星是否处于风险之中是一件扎手的工作。

日冕物质抛射击中地球磁场的模仿动画。

版权:NASA's Goddard Space Flight Center/Scientific Visualization Studio/社区和谐建模中心(Community-Coordinated Modeling Center)

卫星的安全取决于它是在地球磁层顶(magnetopause)的内部仍是外部。磁层顶是一个不断改变的无人区,地球的磁场在这里完结,太空气候的全面冲击敞开。在磁层顶内部,你根本上是安全的。在磁层顶外部,却并非安全。

可是现在,知道磁层顶的鸿沟在哪里的仅有办法,便是飞越它。

Sibeck标明:“有时分数据会有动摇,你能够看到鸿沟越过了你。有时分你会发现十个动摇。”

但假如你能抵达间隔地球磁场外部满足悠远的当地,还有另一种办法能够找到磁层顶。当太阳风在磁层顶外部碰击地球大气层时,它会发射X射线。若在适宜的方位安顿一个X射线望远镜,就能够捕捉这些X光并盯梢磁层顶的方位。

这便是为什么Sibeck参加由波士顿大学的太空科学家布莱恩 沃尔什(Brian Walsh)领导的研讨小组,他们正在把一个X射线望远镜安顿在月球上。

Sibeck标明:“没有人拍过这种全球相片,而月球在地球磁场之外有很好的有利方位。”

月球环境日光层X射线成像仪(The Lunar Environment heliospheric X-ray Imager),或称LEXI使命,将被安顿在月球外表,以拍照实时的全球磁层顶相片。2019年7月1日,NASA宣告LEXI将成为参加Artemis使命的第一批月球有效载荷之一。他们估计LEXI最早将于2022年登陆月球外表。

LEXI只要一码(a yard long)多一点,但月球外表能够包容更大的X射线望远镜。这是个好消息,由于X射线很难聚集;更长的望远镜能得到更高分辨率的图画。望远镜要大的需求带来了一个问题:有些卫星不够大,无法承载大型望远镜。Sibeck标明:“但在月球上,能够安顿很大的望远镜。”

4. 你能够挖掘出太阳的前史

太阳物理学中一些问题的答案就埋藏在月球上。

NASA担任探究的副协理署长史蒂夫 克拉克(Steve Clarke)标明:“月球就像一个时刻胶囊。由于它和地球是在同一时期构成的,所以其外表有太阳系的前史。”

在开始的10亿年里,太阳的自转速度或许比现在要快,这导致了更大规划的太阳喷射,并使构成行星的太空空间带电。可是要切当地知道开始的10亿年是什么样的,咱们需求关于好久好久以前发作的工作的依据。

月球 - 没有大气,没有液态水,也没有板块结构 - 供给了这样一个前史记录。数十亿年前的太阳喷射在月球尘土中留下了未受搅扰的痕迹。

使用NASA的ARTEMIS使命的数据进行的研讨标明太阳风和月球的地壳磁场怎么一起效果,使月球构成或深或浅的共同漩涡。

版权:NASA's Goddard Space Flight Center

最近的一篇论文经过研讨月球尘土来研讨了月球样品中残留的易挥发物质的量,比方低沸点的钠、钾等元素。当高能太阳粒子碰击月球外表时,这些易挥发物质就从月球上丢失。经过研讨这些元素跟着时刻的推移减少了多少,科学家们在更宽广的布景下看到了太阳开始10亿年的景象。尽管它曩昔的旋转速度比现在要快,但与其他恒星比较,它仍然是一个“慢旋转体”,其旋转速度比50%的相似恒星要慢,并且迸发的频率也远低于或许的水平。

该研讨的首要作者,一起也是Goddard的天文学家帕拉巴尔 萨克塞纳(Prabal Saxena)标明:“太阳其时的环境或许更为严格。”

从月球尘土中咱们还能够了解到更多的古代前史。今日的月球没有地球上这样的全球性磁场 - 但曩昔或许从前有过磁场。行将到来的Artemis使命方案在月球南北极着陆,从那里收集的样本能够显现前史上的磁场是否改变了残留的易挥发物质的形状。

5. 它是火星的试验台

关于未来在月球和火星上的宇航员来说,需求对太空气候进行继续重视。太阳会发生许多让人忧虑的工作 - 并且它移动得很快。

在月球上,来自太阳耀斑的X射线在8分钟内抵达月球外表。日冕物质抛射 - 巨大的带电热粒子云 - 能够在一天之内抵达月球外表。太阳高能粒子(Solar Energetic Particles, SEPs)较为稀有,但速度更快也更风险。

戈达德太空气候实验室的太阳物理学家卡琳 穆格莱奇(Karin Muglach)标明:“SEPs以光速的10%到20%的速度在一小时内抵达地球。SEPs就像子弹相同。”

太空辐射是宇航员登陆月球时的一个要害安全要素。NASA正在探究各式各样的办法和技能,以减轻太空游览中不同类型的辐射。

版权:NASA’s Goddard Space Flight Center/Joy Ng

由于月球间隔地球相对很近,所以地球上的预警体系应该足以维护月球上的宇航员。Muglach标明:“可是假如去往火星,通讯或许会被推迟。”

在邻近测验这样的维护体系是NASA在登陆火星之前登陆月球的原因之一。

去往月球以及更宽广的宇宙空间

跟着NASA朝着月球和火星行进,了解日地联系的新时机层出不穷。但这不仅仅是根底科学。太阳的影响充满了咱们周围的太空 - 未来的宇航员将需求飞行和了解的宇宙空间。

NASA华盛顿总部的首席太空气候科学家吉姆 斯潘(Jim Spann)标明:“并不是一切的科学都有实践使用价值,我以为这很帅。”

来历:https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/sun-science-has-a-bright-future-on-the-moon

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