尤利西斯：深入太陽極點 | 星星背後的物理（九）

知識 09-21

?美國宇航局太陽動力天文台拍攝的一張太陽「磁場地圖」

撰文 | 張天蓉（美國德州大學奧斯汀分校理論物理博士）

責編 | 魏朝博

審校 | 張雙南（中國科學院高能物理研究所研究員）

鄭永春（中國科學院國家天文台副研究員）

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尤利西斯是羅馬神話中智勇雙全的英雄，我們這兒要介紹的，是代替人類飛向太空，去探測太陽極區的機器英雄「尤利西斯（Ulysses）號」探測器。

「尤利西斯號」和它得以命名的神話英雄一樣勇敢機智，在按預定路線遨遊太空的征途上頑強拼搏、大獲全勝。從1990年發射，到2008年，整整18年的服役期，不但順利完成了設計者最初期望的5年的任務，還多活了13年，供給科學家們許多有用的資料，帶給了人們額外的驚喜。

據說「尤里西斯號」曾一度差點被「凍死」，因為它顯示出供電嚴重不足，有可能出現能引起燃料凍結的低溫。但令人驚奇的是它竟在遭此劫難之後又頑強地支撐了一年，並傳回不少有價值的科學數據，最後，「尤里西斯」的通信能力逐漸減弱，於2008年6月30號被正式關閉，結束了英雄的使命。

神秘的極區

美國航天局和歐洲航天局發射「尤利西斯號」的目的，是要探索太陽的兩個極區：南極和北極。

極點總是神秘而有趣的地方，人類在100多年前，征服地球的北極和南極的過程中就有令人動容的故事。如今我們很難想像當年的地球極區征服者所遇到的困難，但看看他們使用的交通工具也許能給我們一些啟迪：由於地球極區的特殊地理條件和氣候環境，當年征服兩極的先驅們使用的交通運輸工具基本上都是「狗拉雪橇」，見圖1。

?圖1：探測地球南極的英雄們

20世紀初，美國探險家皮爾里用狗拉雪橇首次抵達北極點，為北極探險寫下輝煌一頁。從18世紀開始，人類就開始了南極探險，英國庫克船長曆時3年零8個月，航行97000千米、環南極航行一周，但始終未能發現陸地。

1911年12月14日和1912年1月17日，挪威的阿蒙森和英國的斯科特率領的探險隊先後到達南極點。阿蒙森第一個到達，斯科特在一個月後到達。但斯科特率領的隊伍中5人不幸遇難，死於回程路上，成為後人心目中可歌可泣的南極探險英雄。

斯科特從南極點返回時運氣不佳，碰上罕見的大風雪。一行人冒著呼嘯的風雪，越過冰障，歷盡千辛萬苦，卻捨不得將沿途採集的17千克植物化石和礦物標本丟棄！斯科特看見同伴們一個接一個因為極其惡劣的生存條件和疾病折磨而死去，他痛苦地寫下最後一篇日記「我現在已沒有什麼更好的辦法……結局已不遠了……」。雖然沒有得到「登陸南極點第一人」的榮耀，但斯科特等留下的日記、照片，以及採集的化石和標本，為後來的南極探險、地質勘測等作出了重大貢獻。科學需要付出，有時甚至以生命為代價。雖然現在這種不幸已經越來越少，但前輩的精神留下珍貴的科學遺產，讓我們從中懂得什麼是科學家真正的追求。比較起來，某些為了名利地位而造假的人，顯然是配不上「科學家」這個稱號的。

據說斯科特等人的悲劇也有一部分是因為自身的失誤。他們沒有像阿蒙森那樣大量使用「極地雪橇犬」，而採用狗、小馬、拖拉機並輔以人力拖拉的混合運輸方式。最後，小馬因為不適應南極環境而死去，拖拉機難以行駛掉進海里，導致最後物盡人亡的悲劇，由此可見探險工具之重要。

地球極區以其獨特的魅力吸引著人類探索的腳步！太陽也有極區，對天體物理學家們而言，太陽的兩極也是個奇特而神秘的未知地域。

無論太陽還是地球，都是既有地理上的「南北極」，也有磁性意義上的「南北極」，下文中將按照通常習慣：「南北」多指地理，磁極用「S」與「N」表示。剛才介紹的探險英雄人物主要探測地球地理上的南極。地球像一個大磁鐵，磁鐵的S極和N極與地理上的南北極，位置相差一點點，方向正好倒過來。也就是說，地球的南磁極S位於北極圈內，磁北極N位於地理南極附近。太陽的情形也有些類似，而且太陽或地球的磁極都在不斷地運動著，有時候甚至會完全倒轉，即S、N互換。地球磁倒轉的周期很長，大約每30萬年左右才發生一次，而太陽的磁極則翻轉得異常迅速，每隔11年兩級極點便對調一次。因此，從發射角度而言，「尤利西斯」的目標指向太陽地理的南北極。但天體物理學家們感興趣的是太陽磁場的NS及其變化，因為人們越來越認識到太陽風對地球的重要意義，而太陽風更多地來自於磁場極區附近的「冕洞」結構。太陽這團「大火焰」及其變化活動，在磁場的極區表現得尤為激烈，而人類對其規律仍然知之甚少，有待探索。

1990年，阿蒙森和斯科特第一次到達地球南極之後將近80年，人類派出了「尤利西斯」，目標直指太陽南北極。不過，太陽表面太熱了，「尤利西斯」在那兒沒法生存，聰明的設計者們當然不能讓他們的「寵兒」直接飛到太陽上去自取滅亡，而是想辦法讓它盡量接近太陽極點，「站」在一個合適的位置來觀察太陽。

為什麼要發射探測器去探索太陽極點呢？難道通過地球上的大型望遠鏡不能觀測到太陽的南北極嗎？

事實正是如此，在地球上的確不容易觀測太陽的南北極。地球繞著太陽轉，兩者又分別自轉，太陽南北極連線多數時候幾乎垂直於行星的軌道平面（粗略等同於黃道面），因而難以被觀測到。可以打個這樣的比喻：兩個人面對面站著互相繞圈，都很難互相看見對方的頭頂或腳底。特別對地球而言，面對著比它大出許多的太陽，只能看見對方挺著一個「大肚皮」（圖2），要看到位於太陽兩端的北極和南極很難。

於是，科學家們想：如果能夠將探測器發射到一個與黃道面構成較大角度（幾乎垂直）的軌道上，不就能方便地觀測太陽極區了嗎？見圖2的示意圖。

?圖2：尤利西斯的軌道與黃道面成80°左右的夾角

英雄身負重任上軌道

「尤利西斯號」是美國國家航空航天局（NASA）與歐洲空間局（ESA）的合作項目，首先主要由歐洲空間局設計製造，總質量為385公斤，其中 55公斤是包括太陽風等離子體探測儀在內的10種科學儀器，設計的工作壽命為5年。1990年10月6日在美國佛羅里達州，由發現號太空梭發射升空，探測器的控制中心位於美國加州的NASA噴氣推進實驗室。

科學家賦予「尤利西斯」的基本任務是：進入合適的太陽軌道，飛越太陽南北極點，近距離觀察太陽兩極地區，探測太陽極區的秘密！更具體地說，它的使命是探測研究太陽風的特性、日光層磁場、磁暴、冕洞等，加深人類對太陽，特別是對太陽極區的認識。

如何才能達到這個目標呢？換言之，什麼是適合探測太陽極點，又不至於被太陽「燒傷」的軌道？如圖2所示，這個繞日軌道最好與黃道面近似垂直。然而，在發射航天器的過程中，為了使它達到一定的速度，一般都需要利用地球的自轉，在順著地球自轉的方向發射。因為這個原因，發射的絕大部分探測器都是近似地在黃道面內運行，設計者們計劃的「尤利西斯」一開始也遵循這個原則，發射時沿著一條長橢圓形的繞地軌道飛向「太空」。

「尤利西斯」並非盲目地飛向太空，它的第一個目標是飛向木星。更為準確地說，是飛向兩年之後木星將到達的位置，在那兒與木星「見面」。為什麼飛向木星呢？這是設計者玩的一個花招，要讓「尤利西斯」從木星的軌道運動中「盜取」一點能量和角動量。重要的是，用這種方法（稱之為引力跳板，本質上也是一種引力助推）使得「尤利西斯」轉換軌道：從原來繞地的橢圓，轉換「跳」到繞日的橢圓。

1990年10月6日，「發現號」太空梭進入軌道6小時之後，機上的航天員打開貨艙，將「尤利西斯」探測器從艙內推出。接著，探測器利用它自身的三級火箭加速，提高飛行速度到每秒16公里左右。然後，沿著繞地軌道，背向太陽而去。圖3中畫出了「尤利西斯」的整個軌道圖，它最初的軌道基本是在黃道面以內，由圖中標識了「地球到木星」的中間那條紅線表示。軌道圖右邊所示的放大圖，顯示航天器在木星附近的軌道轉換情形。

?圖3：尤利西斯的軌道

經過16個月的航行，「尤利西斯」於1992年2月與木星「碰面」，木星是太陽系中的行星之王，它的質量（1.898 × 10²⁷公斤）相當於其它7個行星相加之總和的2.5倍，等於318個地球！如此大質量的木星附近的引力也很大，看起來幾乎要把可憐的不到400公斤的「尤利西斯」俘獲成為它自己的衛星！不過，科學家們胸有成竹，他們經過了精確的計算，並且預先讓「尤利西斯」加速到了足夠的速度，有足夠的慣性來逃離木星巨大的引力，最後使得探測器繞著木星轉了半圈（實際上是一個雙曲線軌道）之後，藉助木星的強大引力「盪了一下鞦韆」，獲得了一個與黃道面垂直的速度。因此，尤利西斯脫離了黃道面，「蹦」上了另一條繞日橢圓軌道，向著它的最終目標——太陽飛去！見圖3中的紅色橢圓。

神奇的引力跳板技術（盪鞦韆），讓探測器的繞日軌道（周期6年）以近乎垂直的角度，豎起在黃道面上。1994年6月26日，「尤利西斯號」第一次接近太陽南極， 1995年6月19日第一次通過太陽北極。至1995年9月為止，「尤利西斯號」已經完成了原定設計任務。但令人驚喜的是，它精力仍然充沛，不想「退休」，繼續在軌道上飛行，對太陽開展進一步的探測研究。2000年11月27日，「尤利西斯」再次通過太陽南極地區，2001年9月到12月第二次通過北極地區。2006-2007年，「尤利西斯號」探測器第三次通過了太陽極區。　　

「尤利西斯號」三次繞過日極，以超越原定壽命兩倍以上的工作時間和探測研究超額完成了肩負的任務。這是人類第一次從三維立體角度探測太陽的南北極。太陽黑子的活動周期是11年，也是太陽磁場活動的半周期。「尤利西斯號」服役18年9個月，它在繞日軌道上運行了14年，涵蓋了太陽的第22-23活動周期，從寧靜期到高峰期，又轉為低峰，見證了不少科學家們前所未知的現象，傳回了大量有價值的觀測資料。

新發現

a、探測極區冕洞

「尤利西斯」的目標是探測與太陽風有關的太陽磁場，太陽風實際上就是太陽磁場向周圍宇宙空間的延續。如圖4b所示，在太陽的（磁性）赤道附近，磁力線是閉合的，吹出的太陽風也沿磁力線返回；在太陽的極區（N、S）上方有空洞（冕洞）存在，也就是是太陽磁力線敞開的地方，太陽風便從此逸出。「尤利西斯」在飛躍極地時，對太陽風進行取樣，探測到了先前人們未預料到的高緯度的輻射暴，觀測到極區太陽風從冕洞逸出的情形，見圖4a。

?圖4：太陽的磁場

「尤利西斯」主要研究了太陽整體的磁場，為後來發射的太陽探測器起了開路先鋒的作用。之後的探測器拍攝到太陽表面磁場的超精細結構，見圖4c。

b、觀測磁極翻轉

如上文所述，地球的磁極（N、S）位置與地理南北極是相反的，磁極互換的周期大約每30萬年左右，與人的壽命比較太長了，難以在短期內進行研究。而太陽的磁極翻轉周期（翻轉又翻轉）為22年，即磁極運動的半周期與太陽黑子活動的周期同步。為什麼太陽磁極翻轉與黑子有關？其中有何內在的奧妙？地球磁極翻轉的周期又與什麼有關呢？這些問題至今並無令人滿意的答案。太陽磁極翻轉快，便於進行研究，研究太陽的極區磁場可能會告訴我們自己星球上磁場的線索。因此，對太陽磁極翻轉的觀察數據不僅對太陽活動的研究者有用，地球物理研究也可能從中受益，得到啟發。此外，太陽磁場極性改變也可能對地球氣候、高頻無線電、衛星通信等有一定的影響。

「尤利西斯」運行壽命18年，幾乎涵蓋兩個太陽黑子活動周期，也正好觀察到了太陽磁極的翻轉過程。

?圖5：太陽磁場翻轉

1994年，「尤利西斯」第一次飛越太陽南極（地理）地區時，正值日冕活動極小值時期，如圖5a。2000年11月，「尤里西斯」返回到離太陽2.2天文單位（1天文單位是從太陽到地球的距離）的南極地區時，發現磁場被分裂成多個方向，太陽活動接近最大值，磁場似乎正在複雜重組的過程中，如圖5b所示。「尤利西斯」繞日的軌道周期是6年左右，它對太陽磁場的三次觀測結果證實了太陽磁極翻轉為11年左右。

圖5是太陽磁場翻轉的示意圖，圖6則為「尤利西斯」三次飛躍極區觀測到的太陽風的變化情形，從中可看出太陽磁極的翻轉過程。圖6下方的曲線表示太陽黑子數隨時間的變化規律，可證實黑子活動規律是與太陽磁極翻轉同步的。

?圖6：尤利西斯拍到的太陽磁場翻轉

c、太陽風的速度

?圖7：太陽風速度（從赤道到極區）

太陽極區的冕洞吹出太陽風，太陽風是由帶電粒子組成的等離子體流。「尤利西斯「的南北極飛躍，使人們得以研究太陽南北極溫度的差別，以及赤道和極區太陽風速度的差別等。

從圖7中「尤利西斯「在不同位置測量的太陽風速度可見，太陽風的速度隨著緯度的遞增而加快。在南半球接近赤道的部分（圖7中的a點），太陽風的速度大約只為每秒鐘400公里，而在南半球高緯度上（圖7中的d點）太陽風速度大約為每秒750公里，幾乎提高了1倍。此外，科學家通過對太陽的觀測發現，太陽風正在逐年減弱，目前正處於有史以來最微弱的時期。

d、其它結果

除了太陽產生等離子體流之外，宇宙中的其它恆星也產生各自的「風」。因此，宇宙空間中充滿了「宇宙風」。科學家們設想，冕洞吹出強烈的太陽風，也有可能會讓宇宙中別的粒子「風」大量湧入？但「尤利西斯號」的測量結果並非如此，它沒有在兩極地區觀測到預期的宇宙射線，這給天文學家們提出了一個新的課題：是什麼原因在阻止宇宙線不進入太陽極區呢？（見圖8a）

此外，1996年5月，「尤利西斯」號還得到一個難得的機會，穿過了「百武」彗星的尾巴，見圖8b。尤利西斯分析了彗尾的化學成分，發現其尾巴的長度至少有3.8天文單位。

?圖8：尤利西斯功不可沒

「尤利西斯」探索太陽極區功不可沒，木星助它一臂之力，「盪鞦韆上軌道」，也功不可沒。下一篇中，我們將探索「木星」——這顆神秘的行星之王。

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注釋：

【注1】尤利西斯號探測器（Ulysses）是美國宇航局（NASA）與歐洲航天局（ESA）聯合研製的一顆太陽極區和恆星際環境探測器，以希臘神話中智勇雙全的奧德塞的拉丁文名字命名，目的是研究日球的性質，加深對太陽風、太陽極區以及行星際磁場等方面的了解；SOHO，英文全稱是Solar and HeliosphericObservatory，中文全稱太陽和日球層探測器，是歐洲航天局及美國太空總署共同研製的無人太空船，於1995年發射升空。

【注2】「太陽風—磁層相互作用全景成像衛星計劃」（Solar wind MagnetosphereIonosphere Link Explorer， SMILE），由中科院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室等單位和英國倫敦大學學院等國家和單位共同提出，是中歐雙方的小型空間科學國際合作項目。

【注3】http://www.minorplanetcenter.net/

【注4】維基百科（第22太陽周期）：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%AC%AC22%E5%A4%AA%E9%99%BD%E9%80%B1%E6%9C%9F