17架航空器组队观测到令人惊讶的太阳爆发

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翻译：贺玉影

校对：牧夫校对组

编排：陶邦惠

后台：朱宸宇

https://www.space.com/astronomy/sun/how-a-huge-fleet-of-17-spacecraft-discovered-something-surprising-about-solar-eruptions

从太阳系的不同角度观测日冕物质抛射才能看到太阳爆发的真面貌。日冕物质抛射（coronal mass injection，简称CME）

图片来源：ESA/NASA/Soho

一场顽皮淘气的日冕物质抛射（coronal mass ejection，简称CME）被创纪录地分布在整个太阳系的17架航天器追踪到，它喷射出一团“藏起来”的带电粒子云直指地球。观测结果显示，该日冕物质抛射的形态令人惊讶的不对称。

日冕物质抛射是太阳打的“嗝”——太阳耀斑产生的能量将巨大的磁化等离子体云从太阳灼热的外层大气（日冕）中喷出去。这片带磁性的日冕物质抛射云随后向太阳系外扩散，其中所含的带电粒子对宇航员、航天器甚至喷气式民航客机上的乘客都构成严重的辐射威胁。但它们也有美丽的一面，因为在与地球相遇时，它们会引出美丽的极光。

日冕物质抛射是平常事，但2024年12月15日世界时00:48从太阳喷发的一场日冕物质抛射却显得很特别。

“我们利用17架航天器的观测数据对这次日冕物质抛射做了追踪和特征分析，”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（Adrienn Luspay-Kuti）告诉Space.com。她领导了这项整合所有观测数据的研究。“这是迄今为止用于追踪和分析单次日冕物质抛射的航天器数量之最，让我们得以极其详细地了解该日冕物质抛射的演变过程。”

此前的纪录是10架航天器，但它们几乎都是沿着一条粗略从太阳连接到地球的直线排列的，所以观测数据在某种程度上来讲是一维的。但这次对2024年12月日冕物质抛射的观测，航天器分布很广，不仅与太阳的距离各不相同，而且也很大程度地偏出了地-日连线。

这17架航天器的观测结果揭示，这次日冕物质抛射有两个不对称的瓣（lobe），它们用不同的速度移动，其中一个瓣朝向地球和火星。因为另一个更大又更慢的瓣切着太阳就出发了，如果不是因为探测器分布范围广，它差点就会被慢瓣挡住而观测不到。

“我们的观测结果显示，快的那个瓣前正在向地球-火星区域传播，而慢很多的那个瓣则位于更西侧，朝着‘日地关系观测台A’方向，”卢斯佩-库蒂说道。“日地关系观测台A”是美国国家宇航局组成的空间天气监测系统“日地关系观测台（Solar Terrestrial Relations Observatory，简称STEREO）”的两架航天器之一。

这次日冕物质抛射的爆发是由美国国家宇航局与欧空局联合研制的太阳和太阳圈探测器（Solar and Heliospheric Observer ，简称SOHO）观测到的，它已经不间断地观测了太阳30多年。但它只观测到了较慢的、传播方向偏离了地球的那个瓣，较快的、朝地球而来的那个瓣则被较慢、体积较大的瓣挡住了，没有观测到。

日冕物质抛射的两个瓣穿越太阳系的过程中邂逅各个航空器和卫星的示意图。

12月16日，该日冕物质抛射再次被探测到，当时它距离太阳0.35天文单位，正穿过水星和欧空局的贝比科隆博水星探测计划（BepiColombo mission）的附近。（贝比科隆博水星探测计划终将于2026年11月实现围绕水星的运行。）

下面一次探测是在12月17日，“藏起来”的部分到了地球，许多航天器都看到了它。此次日冕物质抛射强度不足，没有产生多少极光。值得思考的是：当时欧空局的太阳轨道飞行器 (Solar Orbiter，简称SolO)正沿一条椭圆形轨道绕日运行，距离太阳0.94天文单位，偏离地日连线仅仅10度，却没有探测到它。这一“探测不得”非常重要，因为它有助于限定这次日冕物质抛射的形状。

接着在12月18日，慢的那个瓣抵达了美国国家航天局的日地关系观测台A。该航天器在和地球相同的轨道上远在地球的前面围绕着太阳运行。与地球交汇的那个瓣的平均速度为每秒840公里，但另一个瓣则行动迟缓，以每秒534公里的平均速度从太阳方向移动，并经过了贝比科隆博水星探测计划和日地关系观测台A。事实上，当它到达日地关系观测台A时，速度已减慢至每秒约400公里。两个瓣都减了速，是因为它们和自己赶过的常规太阳风发生了摩擦，而其中测得的速度范围表明，太阳爆发不是以单一、“统一阵线”的形式传播的。

在地球轨道之外，是美国国家宇航局的木卫二快船（Europa Clipper），上面的上等离子体磁测深仪实验的首席研究员就是卢斯佩-库蒂。木卫二快船正在飞向火星以获得引力辅助，从而给它继续前往木星加一把劲。它在1.19天文单位的距离探测到了较快的那瓣日冕物质抛射。在火星附近，现已失联的专家号（Mars Atmosphere and Volatile Evolution，“火星大气与挥发物演化”任务，简称MAVEN，英语单词maven来自意第绪语meyvn，意思是“专家”）也在12月19日至20日期间探测到了这次日冕物质抛射。

不仅有这么多航天器追踪日冕物质抛射的过程，而且还有足够多的航天器位于地-日连线以外的位置，至少可以在二维范围内测量日冕物质抛射的形状，这在理解和预测日冕物质抛射的传播方面是一个重大进步。

不同航空器观测到的日冕物质抛射。快速移动、朝向地球的瓣被朝南移动、速度较慢的瓣挡住了。

图片来源：Luspay-Kuti et al.

“这对未来的人类探索至关重要，因为如果未能监测到日冕物质抛射，就可能失去宝贵的预警时间，”卢斯佩-库蒂说道。“快速日冕物质抛射会引发冲击波，从而加速高能粒子，可以对处在地球保护性磁场之外的宇航员产生辐射危害。正因如此，随着人类探索活动逐渐远离地球，从多个视角进行观测，包括远离日-地线的航天器以及巡航中的行星探测器，都将对太空天气预报将变得愈发重要。”

这次日冕物质抛射呈现出的不对称双瓣结构自然出乎意料。目前，造成这种不对称现象的原因尚不明确，不过卢斯佩-库蒂向Space.com表示，研究人员正在调查。主要问题在于，不对称的日冕物质抛射究竟有多常见？

“结合以往的观测结果来看，这一事件属于已观测到的日冕物质抛射变异性的最极端情况，”卢斯佩-库蒂表示。“但实际上高度不对称的日冕物质抛射是否非常普遍，只是由于我们的观测覆盖不足而没有发现它们，还是说它们真的很少见？”

在日冕物质抛射的某些或全部不同阶段，即磁云前方的弓形激波和湍流鞘、CME本体以及它经过后在太阳风中留下的湍流尾流当中探测到了该现象或拍摄到了相关图像的是以下17架航天器：太阳和太阳圈探测器（SOHO）（它做了最初的成像观测）、贝比科隆博水星探测计划（BepiColombo）、太阳动力学观测台（Solar Dynamics Observatory）、日地关系观测台A（STEREO-A）、多任务模块化空间飞行器任务（MMS）的四架航天器、阿尔忒弥斯号月球探测器（ARTEMIS）的两架航天器、风太阳探测器（Wind）、高新成分探测器（ACE）、 环境应用静地卫星（GOES）、深太空气候天文台（DSCOVR）、欧罗巴快船（Europa Clipper）、专家号（MAVEN），及太阳轨道飞行器（Solar Orbiter），其中太阳轨道飞行器虽然做了测量但没能探测到此次日冕物质抛射。

以后它们当中还会加入欧空局观测太空天气的Vigil任务，计划于2031年发射，将前往位于太阳-地球L5拉格朗日点的轨道、地球轨道后方60度处，由此增加额外的离轴监测。

该研究成果在8月19日发表于《科学进展》（Science Advances）。

责任编辑：郭皓存

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图片来源： Spilios Asimakopoulos