太阳“打嗝”藏玄机：17 艘航天器追踪到一次不对称的日冕物质抛射

IT之家 8 月 24 日消息，一场行为异常的日冕物质抛射（CME）吹出了一团隐藏的、朝向地球的带电粒子云，这一现象已被遍布太阳系的创纪录的 17 艘航天器追踪到，并揭示出这场日冕物质抛射出人意料地不对称。 日冕物质抛射是太阳的“打嗝”—— 太阳耀斑释放的能量从太阳炽热的外层大气（日冕）中喷出巨大的磁化等离子体云。磁化的日冕物质抛射云随后向外扩展到太阳系中，其所含的带电粒子对宇航员、航天器甚至喷气客机上的乘客都是重大的辐射危害，但这些粒子也有美丽的一面：当它们与地球相遇时，可以触发绚丽的极光。 日冕物质抛射会定期发生，但美国东部时间 2024 年 12 月 15 日晚上 7:48 从太阳喷发的一次日冕物质抛射却颇为特殊。 “我们利用 17 艘航天器的观测来追踪和刻画这次日冕物质抛射，”约翰斯 · 霍普金斯大学应用物理实验室的阿德里安 · 卢斯佩-库蒂告诉 Space.com ，她领导了汇集所有观测数据的研究。“这是追踪和刻画单次日冕物质抛射所用航天器数量的创纪录水平，也让我们极其详尽地看到了日冕物质抛射是如何演化的。” 此前的纪录是 10 艘航天器，但它们大多大致排列在从太阳到地球及更远处的直线上，这意味着它们的测量在某种程度上是一维的。而这一次，针对 2024 年 12 月的日冕物质抛射，航天器分布得又广又远，不仅在距太阳的不同距离上，还大幅偏离了日地连线。 这些航天器揭示出，这次日冕物质抛射有两个不对称的瓣，其中一个比另一个移动得更快。其中一个朝向地球和火星的瓣，若不是因为航天器的广泛分布，本会被更大但更慢、以切线方向离开太阳的另一个瓣遮挡而无法被观测到。 “我们的观测显示，一个快速的瓣在地球 — 火星区间内传播，而另一个慢得多的瓣则更靠西，朝向 STEREO-A 飞行器，”卢斯佩-库蒂说。STEREO-A 是美国国家航空航天局（NASA）双航天器太空天气监测系统（即日地关系观测台）的一半。 据IT之家了解，这次日冕物质抛射的起始阶段由 NASA 与欧洲空间局（ESA）联合的太阳和日球层观测台（SOHO）观测到，该探测器已持续监测太阳超过 30 年。然而它只看到了那个与地球成角度喷发的较慢的瓣；那个朝向地球的较快瓣被较慢、较大的瓣遮挡而错失。 日冕物质抛射的示意图显示其两个瓣在太阳系中行进，并经过了各类航天器和卫星 这次日冕物质抛射随后于 12 月 16 日在距太阳 0.35 个天文单位（AU；1 AU 为地球到太阳的距离）处被探测到，当时它正穿过水星附近以及欧洲空间局的“比皮科伦坡”（BepiColombo）任务所在区域（该任务最终将于 2026 年 11 月进入这颗最内层行星的轨道）。 下一次探测发生在 12 月 17 日，即“隐藏”部分抵达地球时，大量航天器捕捉到了它。这次日冕物质抛射强度不足以产生显著的极光。耐人寻味的是，欧洲的“太阳轨道器”（Solar Orbiter）任务当时正沿一条拉长的轨道绕太阳运行，距太阳 0.94 个天文单位、仅偏离日地连线 10 度，却并未探测到这次日冕物质抛射。这一“未探测到”实际上至关重要，因为它帮助限定了日冕物质抛射的形状。 随后在 12 月 18 日，较慢的瓣到达了 NASA 的 STEREO-A 航天器 —— 它以与地球相同的距离（1 AU）绕太阳运行，但在轨道上明显领先于地球。与地球相交的那个瓣的平均速度为每秒 522 英里（840 公里），但另一个瓣则拖拖拉拉，以平均每秒 332 英里（534 公里）的速度从太阳出发，掠过“比皮科伦坡”和 STEREO-A。事实上，当它到达 STEREO-A 时，已减速到约每秒 248.5 英里（400 公里）。两个瓣都因与日冕物质抛射所追赶的常规太阳风摩擦而减速，而日冕物质抛射中测得的这些速度范围告诉研究人员，这次太阳喷发并非作为一个单一、统一的前锋在传播。 在地球之外，NASA 的“欧罗巴快船”（Europa Clipper）任务探测到了 1.19 AU 处那个移动较快的瓣 —— 当时该航天器正飞往火星进行引力助推，以帮助其前往木星的旅程。卢斯佩-库蒂是该航天器磁探测等离子体仪器（PIMS）实验的首席研究员。在火星上，现已退役的 MAVEN 任务也于 12 月 19 日至 20 日探测到了这次日冕物质抛射。 不仅有多达 17 艘航天器跟踪了这次日冕物质抛射的进程，而且有足够多的航天器偏离日地连线，从而至少在二维上测量出了日冕物质抛射的形状，这是理解和预报日冕物质抛射传播的一大进步。 “这对未来的人类探索意义重大，因为一次错过的日冕物质抛射可能意味着损失宝贵的预警时间，”卢斯佩-库蒂说，“快速的日冕物质抛射可以驱动激波，加速高能粒子，从而对地球保护性磁场之外的宇航员构成辐射危害。这就是为什么随着人类探索远离地球，来自多个视角的观测 —— 包括远离日地连线的航天器以及在巡航阶段运行的行星任务，对太空天气预报将变得越来越重要。” 这次特定日冕物质抛射的不对称双瓣结构无疑是一个意外。这种不对称性的成因目前尚不清楚，不过卢斯佩-库蒂告诉 Space.com ，研究人员正在调查。关键问题是：不对称的日冕物质抛射有多常见？ “从之前的观测来看，这一事件处于观测到的日冕物质抛射变异性的最极端一端，”卢斯佩-库蒂说，“高度不对称的日冕物质抛射实际上是否相当常见，只是因为我们没有足够的观测覆盖而未能识别出来？还是它们确实很罕见？” 这项研究结果于 8 月 19 日发表在《科学进展》（Science Advances）期刊上。