太阳极地磁暴乱：首批图像揭示炽热谜团

您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太阳周围一个称为黄道面的扁平圆盘内围绕太阳运行。通过将其轨道倾斜出该平面，太阳轨道飞行器（Solar Orbiter）从一个全新的角度揭示了太阳的样貌。

标题为“EUI视频 SolarOrbiter 太阳南极”的视频比较了2025年3月23日太阳轨道飞行器（黄色）与地球（灰色）的视角。当时，太阳轨道飞行器从太阳赤道下方17°的角度观测太阳，足以直接看到太阳的南极。在接下来的几年里，该航天器将使其轨道进一步倾斜，因此最佳的观测视图还在后头。

“今天，我们揭示了人类有史以来首次看到的太阳两极景象，”欧空局（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，是生命的赐予者，也是现代太空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。我们太阳轨道飞行器任务提供的这些独特的新视角，标志着太阳科学新时代的开始。”

聚焦太阳南极

一幅拼贴图展示了2025年3月16日至17日记录的太阳南极景象，当时太阳轨道飞行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，几天后达到了其当前最大观测角度17°。

拼贴图中显示的图像由太阳轨道飞行器的三个科学仪器拍摄：偏振与日震成像仪（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。

“我们之前并不确切知道从这些首次观测中能期待什么——太阳的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）的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（拼贴图中上）。EUI在紫外光波段（拼贴图右上）对太阳成像，揭示太阳外层大气（日冕）中百万度的带电气体。SPICE仪器（拼贴图底部一行）捕获源自太阳表面上方不同温度带电气体发出的光，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，我们可以了解物质在太阳外层如何运动。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（旋转气体）。

这些突破性的新观测对于理解太阳磁场及其为何大约每11年翻转一次（与太阳活动峰值周期一致）也至关重要。目前预测11年太阳活动周期的模型还无法精确预测太阳将在何时以及以多强的程度达到其最活跃状态。

太阳活动极大期混乱的磁活动

太阳轨道飞行器极地观测的首批科学发现之一是发现太阳南极的磁场目前处于混乱状态。虽然一块普通磁铁有清晰的南极和北极，但PHI仪器的磁场测量结果显示，在太阳南极同时存在北极性和南极性的磁场。

这种情况在每个太阳活动周期中仅在短时间内发生，即在太阳活动极大期，此时太阳磁场翻转并处于最活跃状态。磁场翻转后，单一极性应会缓慢建立并主导太阳两极。从现在起的5-6年后，太阳将达到下一个太阳活动极小期，期间其磁场最为有序，太阳活动水平也最低。

“这种（磁场）建立过程究竟如何发生，目前尚未完全明了，因此太阳轨道飞行器在恰好的时机到达高纬度，将从其独特且有利的视角跟踪整个过程，”萨米指出。

PHI对太阳完整磁场的观测视图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），表示沿太阳轨道飞行器到太阳视线方向的磁场越强。

最强的磁场发现在太阳赤道两侧的两个带状区域中。深红色和深蓝色区域突出了活动区，那里的磁场在太阳表面（光球层）的太阳黑子处聚集。

与此同时，太阳的南极和北极都布满了红色和蓝色的斑点。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

太阳轨道飞行器的另一个有趣的“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（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发生的情况。

现在，SPICE团队首次成功利用对谱线的精确追踪来测量太阳物质团块的移动速度。这被称为“多普勒测量”，其名称源自当救护车驶过时警报器音调变化所依赖的相同效应（多普勒效应）。

由此产生的速度图揭示了太阳物质在太阳特定层内的运动方式。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，该区域的太阳温度从10,000°C 急剧升高到数十万度。

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，分别表示碳离子朝向和远离太阳轨道飞行器航天器的移动速度。更深的蓝色和红色斑块与因小型羽流或喷流而导致物质流动速度更快相关。

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被抛离太阳。揭示太阳如何产生太阳风是太阳轨道飞行器的关键科学目标之一。

“当前和过去的太空任务对从太阳出发的太阳风进行的多普勒测量，一直受到太阳两极侧视视角的限制。现在借助太阳轨道飞行器在高纬度进行的测量，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。

更精彩的还在后面

这些只是太阳轨道飞行器从其新倾斜轨道进行的首批观测，而这第一批数据中的大部分仍有待进一步分析。太阳轨道飞行器首次完整“极到极”飞掠太阳的全部数据集预计将于2025年10月传回地球。太阳轨道飞行器的所有十台科学仪器都将在未来几年收集前所未有的数据。

“这只是太阳轨道飞行器‘通往天堂的阶梯’的第一步：在未来几年，航天器将进一步爬升出黄道面，以获得对太阳两极区域越来越好的观测视图。这些数据将转变我们对太阳磁场、太阳风和太阳活动的理解，”欧空局太阳轨道飞行器项目科学家丹尼尔·穆勒（Daniel Müller）指出。

编者注

太阳轨道飞行器是迄今为止研究我们生命之源的恒星（太阳）的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，并首次观测其极区。

2025年2月，太阳轨道飞行器通过将其轨道相对于太阳赤道倾斜17°的角度，正式开始了其环绕太阳旅程的“高纬度”部分。相比之下，行星和其他所有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最大倾角仅为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），它曾飞越太阳两极，但未携带任何成像仪器。太阳轨道飞行器的观测将通过望远镜首次观测两极（同时配备全套原位传感器），从而对尤利西斯任务进行补充，并且飞行距离太阳要近得多。此外，太阳轨道飞行器将在整个太阳活动周期监测两极的变化。

太阳轨道飞行器将继续以这个倾斜角度绕太阳运行，直至2026年12月24日，届时其下一次飞掠金星将使其轨道倾角增至24°。从2029年6月10日起，航天器将以33°的角度环绕太阳运行。（太阳轨道飞行器绕日旅程概览。）

太阳轨道飞行器是欧空局和美国宇航局合作的国际空间任务，由欧空局运营。太阳轨道飞行器的偏振与日震成像仪（PHI）仪器由德国马克斯·普朗克太阳系研究所（MPS）牵头。极紫外成像仪（EUI）仪器由比利时皇家天文台（ROB）牵头。日冕环境光谱成像仪（SPICE）仪器是一个欧洲牵头的设备仪器，由法国巴黎的空间天体物理研究所（IAS）牵头。