太阳极区的磁暴乱象：首批图像揭示炽热谜团

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环绕太阳的扁平圆盘内围绕太阳运行，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）从一个全新的角度揭示了太阳的景象。

标题为“EUI视频：太阳轨道器看太阳南极”的视频比较了2025年3月23日太阳轨道器（黄色）和地球（灰色）的视角。当时，太阳轨道器正从太阳赤道下方17°的角度观测太阳，足以直接看到太阳的南极。在未来几年，该航天器将进一步倾斜其轨道，因此最佳视角尚未到来。

“今天我们揭示了人类有史以来首次看到的太阳极区景象，”欧空局（ESA）科学主任卡罗尔·蒙德尔教授说。“太阳是我们最近的恒星，是生命的赐予者，也是现代空间和地面电力系统的潜在干扰源，因此我们必须了解它的工作原理并学会预测其行为。来自我们太阳轨道器任务的这些独特新视角，是太阳科学新时代的开端。”

聚焦太阳南极

一幅拼贴图展示了2025年3月16日至17日记录的太阳南极，当时太阳轨道器正从太阳赤道下方15°的角度观测太阳。这是该任务首次进行高角度观测活动，几天后达到了目前17°的最大观测角度。

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。

“我们最初并不确切知道能从这些首次观测中得到什么——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·索兰基教授说。

每种仪器以不同的方式观测太阳。PHI在可见光波段对太阳成像（拼贴图左上角）并绘制太阳表面磁场图（拼贴图中上部）。EUI在紫外波段成像（拼贴图右上角），揭示了太阳外层大气（日冕）中百万度高温的带电气体。SPICE仪器（拼贴图底部一行）捕获来自太阳表面上方不同温度的带电气体发出的光，从而揭示太阳大气的不同层次。

通过比较和分析这三种成像仪器进行的互补观测，我们可以了解物质如何在太阳外层移动。这可能揭示出意想不到的模式，例如类似于在金星和土星两极周围看到的极地涡旋（旋转的气体）。

这些突破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（与太阳活动峰值重合）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精确预测太阳何时以及以多强的程度达到其最活跃的状态。

太阳活动峰年的杂乱磁场

太阳轨道器极区观测的首批科学发现之一是：目前太阳南极的磁场处于杂乱状态。一块普通磁铁有明显的南北两极，而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的磁场。

这种情况仅在每个太阳活动周期中的短时间内发生，即在太阳活动峰年期间，此时太阳磁场翻转并处于最活跃状态。磁场翻转后，单一极性应会逐渐增强并主导太阳的极区。从现在起5-6年后，太阳将达到下一个活动极小期，届时其磁场处于最有序状态，太阳活动水平最低。

“这种增强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机到达高纬度区域，将能够从其独特而有利的视角跟踪整个过程，”萨米指出。

PHI对太阳全盘磁场的观测为这些测量提供了背景（参见‘PHI_south-pole-Bmap’和‘PHI_global-Bmap_20250211-20250429’）。颜色越深（红/蓝），表示从太阳轨道器到太阳的视线方向上磁场越强。

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显了活动区，那里的磁场集中在太阳表面（光球层）的黑子中。

与此同时，太阳的南极和北极都点缀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首次测量物质运动

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（包括氢、碳、氧、氖和镁）在已知温度下发出的光（光谱线）。在过去的五年中，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团队首次成功利用对光谱线的精确跟踪，测量了太阳物质团块的移动速度。这被称为“多普勒测量（Doppler measurement）”，得名于救护车驶过时警笛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运动。通过比较SPICE的多普勒图和强度图，可以直接比较被称为“过渡区”的薄层中粒子（碳离子）的位置和运动，该区域太阳温度从10 000°C急剧升高至数十万度。

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移动的速度。深蓝色和深红色斑块与因小型羽流或喷流而流动更快的物质有关。

至关重要的是，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斜视太阳极区的阻碍。现在太阳轨道器实现了在高纬度区域的测量，这将是太阳物理学的一场革命，”来自法国巴黎-萨克雷大学的SPICE团队负责人弗雷德里克·奥谢尔（Frédéric Auchère）说。

最好的尚未到来

这些只是太阳轨道器从其新倾斜轨道进行的首批观测，这第一组数据中的大部分仍有待进一步分析。太阳轨道器首次完整“从极到极”飞掠太阳的完整数据集预计将于2025年10月抵达地球。未来几年，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‘天梯’的第一步：在未来几年，航天器将进一步爬升出黄道面，以获得对太阳极区越来越好的视角。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，”欧空局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生命之源恒星——太阳的最复杂科学实验室，它在比以往任何航天器都更近的距离拍摄太阳图像，并且首次观测其极区。

2025年2月，太阳轨道器通过将其轨道倾斜到相对于太阳赤道17°的角度，正式开始了其绕日旅程的“高纬度”部分。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，该平面与太阳赤道的夹角最大仅为7°。

唯一的例外是欧空局/美国宇航局的尤利西斯任务（Ulysses，1990-2009年），它飞越了太阳极区，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（此外还配备全套原位传感器）来补充尤利西斯的发现，同时飞行距离太阳更近。此外，太阳轨道器将监测整个太阳周期中极区的变化。

太阳轨道器将继续以这个倾斜角度绕太阳运行，直到2026年12月24日，下一次飞掠金星时将其轨道倾斜至24°。从2029年6月10日起，航天器将以33°的角度环绕太阳运行。（太阳轨道器绕日旅程概览。）

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）主导。极紫外成像仪（EUI）仪器由比利时皇家天文台（ROB）主导。日冕环境光谱成像仪（SPICE）仪器是一个欧洲主导的设备仪器，由法国巴黎的空间天体物理研究所（IAS）主导。