太阳两极磁性乱象：首批图像揭示火焰谜团

你所见过的任何太阳图像都是从太阳赤道附近拍摄的。这是因为地球、其他行星以及所有其他现代航天器都在一个围绕太阳的扁平圆盘内运行，这个圆盘称为黄道面。通过将其轨道倾斜出这个平面，太阳轨道器（Solar Orbiter）以一个全新的角度揭示了太阳的面貌。

标题为“EUI视频：太阳轨道器观测太阳南极”的视频对比了2025年3月23日太阳轨道器的视图（黄色）与地球的视图（灰色）。当时，太阳轨道器从低于太阳赤道17°的角度观测太阳，足以直接看到太阳的南极。在未来的几年里，该航天器将使其轨道进一步倾斜，因此更好的视图还在后面。

“今天我们揭示了人类有史以来首次看到的太阳极区视图，”欧洲航天局（ESA）科学主任卡罗尔·芒德尔（Carole Mundell）教授说。“太阳是我们最近的恒星，是生命的赋予者，也是潜在的现代空间和地面电力系统的干扰源，因此我们必须理解它的运作方式并学会预测其行为。这些来自太阳轨道器任务的全新独特视图是太阳科学新时代的开端。”

聚焦太阳南极

一组拼贴图展示了2025年3月16日至17日记录的太阳南极景象，当时太阳轨道器从低于太阳赤道15°的角度观测太阳。这是该任务的首次高角度观测活动，几天后它将达到当前的最大观测角度17°。

拼贴图中显示的图像由太阳轨道器的三个科学仪器拍摄：偏振和日震成像仪（PHI）、极紫外成像仪（EUI）和日冕环境光谱成像仪（SPICE）。点击图像可放大并查看数据的视频版本。

“我们原本不知道从这些首次观测中究竟能期待什么——太阳两极简直就是未知领域（terra incognita），”德国马克斯·普朗克太阳系研究所（MPS）PHI仪器团队负责人萨米·索兰基（Sami Solanki）教授说。

每个仪器以不同的方式观测太阳。PHI在可见光波段（拼贴图左上）对太阳成像，并绘制太阳表面磁场图（拼图中上）。EUI在紫外波段（拼图右上）成像，揭示了太阳外层大气（日冕）中百万摄氏度的高温电离气体。SPICE仪器（拼图底部一行）捕捉来自太阳表面上方不同温度电离气体的光线，从而揭示太阳大气的不同层次。

通过比较和分析这三个成像仪器进行的互补观测，我们可以了解物质如何在太阳的外层移动。这可能揭示出意想不到的模式，例如类似于在金星和土星极区周围看到的极地涡旋（旋转气体）。

这些开创性的新观测对于理解太阳磁场以及它为何大约每11年翻转一次（与太阳活动高峰期一致）也至关重要。目前关于11年太阳活动周期的模型和预测尚无法准确预测太阳将在何时、以多强的程度达到其最活跃的状态。

太阳活动极大期的混乱磁场

太阳轨道器极区观测的首批科学发现之一是：在南极，太阳磁场目前处于混乱状态。虽然普通磁体有明显的北极和南极，但PHI仪器的磁场测量显示，在太阳南极同时存在北极性和南极性磁场。

这种情况在每个太阳活动周期中只会在短时间内发生，即在太阳活动极大期期间，此时太阳磁场发生翻转并处于最活跃状态。磁场翻转后，单一极性应会缓慢建立并主导太阳的极区。从现在起的5-6年后，太阳将到达下一个太阳活动极小期，期间其磁场最为有序，太阳活动水平最低。

“这种建立过程究竟如何发生仍未完全明了，因此太阳轨道器在恰好的时间到达高纬度，能够从其独特而有利的视角跟踪整个过程，”萨米指出。

PHI对整个太阳磁场的观测为这些测量提供了背景（见 'PHI_south-pole-Bmap' 和 'PHI_global-Bmap_20250211-20250429'）。颜色越深（红色/蓝色），表示沿太阳轨道器到太阳的视线方向上的磁场越强。

最强的磁场出现在太阳赤道两侧的两个带状区域。深红色和深蓝色区域突出显示了活动区，那里的磁场集中在太阳表面（光球层）的黑子上。

与此同时，太阳的南极和北极都散布着红色和蓝色的斑块。这表明在小尺度上，太阳磁场具有复杂且不断变化的结构。

SPICE首次测量运动

太阳轨道器的另一个有趣的“首次”来自SPICE仪器。作为一台成像光谱仪，SPICE测量特定化学元素（其中包括氢、碳、氧、氖和镁）在已知温度下发出的光（谱线）。在过去的五年里，SPICE利用这一点揭示了太阳表面上方不同层次发生的情况。

现在，SPICE团队首次成功地利用谱线的精确跟踪来测量太阳物质团块的移动速度。这被称为“多普勒测量”，其名称来源于使经过的救护车汽笛声在驶过时音调发生变化的相同效应。

由此产生的速度图揭示了太阳物质如何在太阳的特定层内移动。通过比较SPICE的多普勒图和强度图，可以直接比较一个称为“过渡区”的薄层中粒子（碳离子）的位置和运动，在该区域太阳的温度从10 000 °C急剧上升到数十万度。

SPICE强度图揭示了碳离子团块的位置。SPICE多普勒图包含蓝色和红色，分别指示碳离子朝向和远离太阳轨道器航天器运动的速度。更深的蓝色和红色斑块与因小型羽流或喷流而流动更快的物质有关。

关键的是，多普勒测量可以揭示粒子如何以太阳风的形式从太阳抛射出来。揭示太阳如何产生太阳风是太阳轨道器的关键科学目标之一。

“当前和过去的空间任务对从太阳出发的太阳风进行多普勒测量一直受到对太阳极区侧视视角的阻碍。太阳轨道器现在实现了在高纬度进行的测量，这将是太阳物理学的一场革命，”法国巴黎萨克雷大学的SPICE团队负责人弗雷德里克·奥谢尔（Frédéric Auchère）说。

最好的还在后面

这些仅是太阳轨道器在其新倾斜轨道上进行的首批观测，这一首批数据中的大部分仍有待进一步分析。太阳轨道器首次完整的‘极到极’飞掠太阳的完整数据集预计将于2025年10月抵达地球。在未来的几年里，太阳轨道器的所有十台科学仪器都将收集前所未有的数据。

“这只是太阳轨道器‘通往天堂的阶梯’的第一步：未来几年，航天器将爬升得更高，进一步脱离黄道面，以获得对太阳极区越来越好的观测。这些数据将改变我们对太阳磁场、太阳风和太阳活动的理解，”欧洲航天局的太阳轨道器项目科学家丹尼尔·穆勒（Daniel Müller）指出。

编者注

太阳轨道器是迄今为止研究我们赋予生命的恒星（太阳）最复杂的科学实验室，它以前所未有的近距离拍摄太阳图像，并首次观测太阳的极区。

2025年2月，太阳轨道器通过将其轨道相对于太阳赤道倾斜17°，正式开始了其环绕太阳旅程的‘高纬度’阶段。相比之下，行星和所有其他观测太阳的航天器都在黄道面内运行，该平面相对于太阳赤道的倾角最大只有7°。

唯一的例外是欧空局/美国宇航局的尤利西斯（Ulysses）任务（1990-2009），它曾飞越太阳极区，但未携带任何成像仪器。太阳轨道器的观测将通过望远镜首次观测极区（并辅以全套原位传感器）来补充尤利西斯的成果，同时其飞行距离太阳要近得多。此外，太阳轨道器还将监测整个太阳活动周期中极区的变化。

太阳轨道器将在这一倾斜角度下继续环绕太阳运行，直到2026年12月24日，届时其下一次飞掠金星将使其轨道倾斜至24°。从2029年6月10日起，该航天器将以33°的角度绕太阳运行。（太阳轨道器环绕太阳旅程概述。）

太阳轨道器是欧空局与美国宇航局（NASA）合作的国际空间任务，由欧空局运营。太阳轨道器的偏振和日震成像仪（PHI）仪器由德国马克斯·普朗克太阳系研究所（MPS）领导。极紫外成像仪（EUI）仪器由比利时皇家天文台（ROB）领导。日冕环境光谱成像仪（SPICE）仪器是由欧洲主导的设备仪器，由法国巴黎空间天体物理研究所（IAS）领导。