欧空局模拟日食 捕捉到太阳隐藏的光晕

欧洲航天局的 Proba-3 任务实现了一项航天奇迹：两颗卫星以完美的队形飞行，可根据需要模拟日全食。他们的首次人工日食观测带来了令人惊叹的太阳外层大气图像，为科学家们提供了前所未有的日冕观测视角。这些图像不仅加深了我们对太阳风暴和日冕之谜的理解，也证明了自主编队飞行的可行性。

Proba-3 的两艘航天器以精确的队形飞行，彼此相距约 150 米，在太空中形成一个外部日冕仪。其中一艘航天器遮蔽了太阳，以便另一艘航天器研究原本不可见的日冕。图片来源：ESA-P. Carril

6月16日，欧洲航天局的Proba-3任务揭示了令人叹为观止的景象：它首次拍摄到了太阳外层大气（即日冕）的图像。该任务利用两颗同步飞行的卫星，在太空中创造了一次人工日全食——无需月球。这一突破不仅拍摄出了令人惊叹的图像，还提供了宝贵的科学数据，可以加深我们对太阳及其奇特、超高温大气层的理解。

这张照片拍摄于2025年5月23日，太阳内日冕呈现绿色，由欧洲航天局（ESA）的Proba-3卫星上的ASPIICS日冕仪拍摄。Proba-3卫星能够在轨道上制造人工日全食。这张照片以可见光光谱拍摄，其日冕与人眼在日食期间透过绿色滤光片看到的日冕相似。这些毛发状结构是使用专门的图像处理算法显示的。图片来源：ESA/Proba-3/ASPIICS/WOW算法

今年3月，Proba-3卫星创造了一项世界纪录。它的两颗卫星，分别名为“日冕仪”和“遮蔽者”，以完美的队形飞行，间隔仅150米。更令人印象深刻的是，它们完全没有借助地面控制人员的帮助就完成了飞行。

得益于先进的导航技术，卫星能够以毫米级的精度保持位置对准。在这种精确的配置下飞行时，它们通过将“遮蔽者”号航天器上的一个圆盘对准太阳前方，遮挡了太阳明亮的中心，形成了一个虽小但威力强大的阴影。

这个只有8厘米宽的微小阴影直接落在了日冕仪卫星ASPIICS上。该设备旨在精细研究日冕，由比利时列日空间中心领导的欧洲团队研发。当阴影恰好落在日冕仪卫星上时，ASPIICS能够成像太阳微弱的外层辉光，而不会受到太阳中心耀眼光芒的干扰。

为了在计划的六小时内，从掩星器到日冕仪形成稳定的日食，这两个探测器必须将日食的轨迹保持在毫米级的精度，大约相当于普通指甲的厚度。这两个探测器利用一套传感器自主完成这一任务。星间无线电链路、追踪LED的光学摄像机、经后向反射器反射的激光，以及环绕ASPIICS孔径的阴影传感器，共同辅助星体跟踪器和卫星导航。图片来源：ESA-F. Zonno

观测日冕对于揭示太阳风（太阳向外太空持续不断的物质流）至关重要。它对于理解日冕物质抛射（CME）的运作也至关重要。日冕物质抛射是太阳几乎每天都会向外发射的粒子爆炸，尤其是在太阳活动高峰期。

此类事件不仅会在夜空中形成令人惊叹的极光，还会对现代科技构成严重威胁。它们可能会严重扰乱地球上的通信、电力传输和导航系统，就像2024年5月发生的一样。

ASPIICS 第一轮观测得到的日冕图像让我们得以一窥这次日食观测任务所能获得的宝贵数据。

欧空局技术、工程和质量总监迪特马尔·皮尔茨 (Dietmar Pilz) 表示：“Proba-3 进行精确编队飞行的许多技术都是通过欧空局的通用支持技术计划 (GTS) 开发的，任务本身也是如此。看到这些令人惊叹的图像在世界上首次精确编队飞行任务中验证了我们的技术，我们感到非常兴奋。”

这张照片是 2025 年 5 月 23 日由 Proba-3 号上的 ASPIICS 日冕仪拍摄的，照片中太阳内冕被人工染成了深绿色。Proba-3 号是 ESA 的编队飞行任务，能够在轨道上制造人工日全食。ASPIICS 仪器通过两条不同的“谱线”捕捉日冕，每条谱线对应日冕气体中的一种不同元素。这张照片显示的是日冕绿线的观测结果——这条谱线是由铁原子发射的，由于极高的温度，它们失去了一半的电子。这使我们能够看到日冕中最热的部分，温度高达 200 万度。在左上方，可以看到一个热环从太阳表面延伸到日冕，日冕是一种通常在太阳耀斑之后出现的结构。图片来源：ESA/Proba-3/ASPIICS

太阳炽热的日冕温度超过一百万摄氏度，远高于其表面温度。这种违反直觉的温差长期以来一直是科学界关注的话题。

Proba-3 的 ASPIICS 正在通过研究非常靠近太阳表面的日冕来解答这个谜团。由于到达探测器的“杂散”光大幅减少，它能够观测到比传统日冕仪更丰富的细节，探测到更微弱的特征。

Proba-3项目科学家乔·赞德补充道：“看到ASPIICS发来的首批数据令人兴奋不已。结合ASPIICS搭载的另一台仪器——DARA——的测量数据，ASPIICS将有助于解开关于我们母星的长期疑问。”

数字绝对辐射计（DARA）将测量太阳总辐照度——即太阳在任何时刻释放的精确能量。Proba-3 上的第三台科学仪器——3D 高能电子能谱仪（3DEES）将探测地球辐射带中的电子，测量其起源方向和能级。

这张照片拍摄于2025年3月25日，太阳内日冕呈现出淡黄色。这张照片由欧洲航天局（ESA）的Proba-3卫星上的ASPIICS日冕仪拍摄。Proba-3卫星能够在轨道上制造人工日全食。图片来源：ESA/Proba-3/ASPIICS

“看到这些图像我真是激动不已，尤其是我们一次就拍到了，”比利时皇家天文台ASPIICS首席研究员安德烈·朱可夫评论道。“现在我们正在努力将每次轨道观测时间延长至6小时。”

这些图像由比利时皇家天文台主办的ASPIICS科学操作中心（SOC）处理。在这里，一支由科学家和工程师组成的专业团队根据科学界的请求为日冕仪创建操作指令，并分享观测结果。

安德烈解释说：“每张完整的图像——覆盖从掩日区域一直到视野边缘的区域——实际上是由三张图像构成的。它们之间的区别仅在于曝光时间，这决定了日冕仪孔径的曝光时间。将三张图像组合起来，我们就能得到日冕的完整视图。”

我们的“人工日食”图像与自然日食期间拍摄的图像相当。不同之处在于，我们可以每19.6小时的轨道周期制造一次日食，而自然日全食每年仅发生一次左右，很少发生两次。此外，自然日全食仅持续几分钟，而Proba-3的人工日食持续时间长达6小时。

这张照片拍摄于2025年5月23日，由欧洲航天局（ESA）的Proba-3卫星上的ASPIICS日冕仪拍摄，该日冕仪被人工染成紫色。Proba-3卫星能够在轨道上制造人工日全食。这张照片显示了日冕在偏振白光下的形态，科学家使用一种特殊技术捕捉到了日冕的偏振光，这种技术使科学家能够将炽热日冕的偏振光与行星际尘埃散射的光区分开来。图片来源：ESA/Proba-3/ASPIICS

Proba-3 任务经理 Damien Galano 指出：“两艘航天器在太空中形成一个巨大的日冕仪，使我们能够在观测中捕捉到杂散光水平非常低的内日冕，正如我们预期的那样。

虽然我们仍处于调试阶段，但我们已经实现了前所未有的精确编队飞行。这使我们能够捕捉到此次任务的首批图像，这些图像无疑将对科学界具有很高的价值。

“我们迄今为止完成的编队飞行是自主进行的，但地面控制团队随时准备进行干预，纠正任何潜在的偏差。我们剩下的任务是实现完全自主，届时我们对系统充满信心，甚至无需进行地面例行监控。”

欧空局编队飞行的 Proba-3 任务上的 ASPIICS 日冕仪能够在太阳极紫外成像仪和传统日冕仪视野之间的空隙中观测日冕，这使得它特别适合研究内日冕。这幅图像是 2025 年 5 月 23 日由三个不同的欧洲仪器在不同任务上拍摄的观测结果的组合：由 Proba-2 上的极紫外望远镜 (SWAP) 拍摄的太阳圆面（人工染成黄色）；由 SOHO 上的 LASCO C2 日冕仪观测到的外日冕（红色）；以及由 Proba-3 的 ASPIICS 日冕仪详细拍摄的内日冕（绿色），填补了空白。图片来源：ESA/NASA/Proba-2/Proba-3/SOHO/SWAP/ASPIICS/LASCO C2/WOW 算法

Proba-3 令人惊叹的图像也引发了计算机模型模拟日冕和创造“数字日食”方式的一场小革命。

在过去的几年里，欧洲各地的几家研究所已经开发出模型来模拟这些观测结果，并为科学家提供观察太阳的手段，但创建这些模拟所需的源材料却很缺乏。

“目前的日冕仪无法与Proba-3相提并论，后者将观测几乎延伸至太阳表面边缘的日冕。到目前为止，这只有在自然日食期间才有可能实现，”欧空局空间天气建模协调员豪尔赫·阿玛亚（Jorge Amaya）说道。

神秘的日冕——比太阳本身温度高得多——是太空天气的起源。我们已经拥有可以研究太阳、低日冕和高日冕的仪器。然而，在低日冕和高日冕之间存在一个区域——一个空隙——观测非常困难。这个区域位于三个太阳半径以内，大部分区域仍未被探索。通常情况下，只有在地球上的日食期间才能观测到这个“空隙”区域。Proba-3 的 ASPIICS 仪器将使我们对太阳及其日冕的近距离观测范围从三个太阳半径缩小到八个太阳半径，从而使我们能够持续研究太阳风和日冕物质抛射。图片来源：ESA-F。Zonno

“如此大量的观测数据将有助于进一步完善计算机模型，因为我们会比较和调整变量，使其与真实图像相匹配。我们与鲁汶大学的团队合作，他们开发了这样一个模型，并成功模拟了 Proba-3 的首次观测结果。”

鲁汶大学的“COCONUT”软件是欧空局虚拟空间天气建模中心（VSWMC）集成的多个太阳日冕模型之一。它可以与大量描述连接太阳和地球的其他物理过程的计算机模型相结合。所有这些模型共同构成了一幅全面描绘影响地球的太阳现象的图像，并帮助公民和工业界做好准备。

Proba-3 是由欧洲航天局 (ESA) 领导的一项开创性任务，旨在以前所未有的精度研究太阳外层大气。它由两艘以超精确编队飞行的航天器组成，在轨道上制造人工日食，使科学家能够在不受太阳中心盘眩光影响的情况下观测到难以捉摸的日冕。

Proba-3 于 2024 年 12 月 5 日搭载 PSLV-XL 火箭从印度斯里哈里科塔的萨蒂什·达万航天中心发射升空，这是一项重大国际合作的成果。该任务由西班牙 Sener 公司管理，并有来自 14 个国家的 29 多家公司参与。主要合作伙伴包括西班牙的 GMV 公司和空中客车防务与航天公司，以及比利时的 Redwire Space 公司和 Spacebel 公司。

这个雄心勃勃的项目不仅增进了我们对太阳物理学的理解，还展示了自主编队飞行和太空日冕学方面的尖端技术。

编译自/ScitechDaily