太阳两极的磁暴乱象：首批图像揭示炽热之谜

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，这个圆盘称为黄道平面。太阳轨道器（Solar Orbiter）通过将其轨道倾斜出这个平面，从一个全新的角度揭示了太阳的景象。

标题为“EUI视频：太阳轨道器观测太阳南极”的视频（2025年3月23日拍摄）将太阳轨道器的视角（黄色）与地球的视角（灰色）进行了比较。当时，太阳轨道器正从低于太阳赤道17°的角度观测太阳，足以直接看到太阳南极。在未来几年，该航天器将进一步倾斜其轨道，因此更佳视角尚在后头。

“今天，我们揭示了人类有史以来首次目睹的太阳两极景象，”欧空局科学主任卡罗尔·芒德尔教授说。“太阳是离我们最近的恒星，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，理解其工作原理并学会预测其行为至关重要。来自太阳轨道器任务的这些独特新视角，标志着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日记录的太阳南极景象，当时太阳轨道器正从低于太阳赤道15°的角度观测太阳。这是该任务首次进行高角度观测活动，几天后其观测角度达到了当前最大值17°。

拼贴图中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）。点击图片可放大并查看数据的视频版本。

“我们最初并不知道能从这些首次观测中得到什么确切结果——太阳两极简直就是未知之境，”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·索兰基教授说道。

这些仪器各自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）中温度高达百万度的带电气体。SPICE仪器（拼图底部）则捕捉来自太阳表面上方不同温度带电气体的光线，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所做的互补观测，我们可以了解物质如何在太阳外层运动。这可能揭示出乎意料的模式，例如类似于金星和土星两极周围所见的极地漩涡（旋转气体）。

这些开创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（与太阳活动高峰期一致）也至关重要。当前关于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及以多强的强度达到其最活跃状态。

太阳活动峰期的混乱磁场

太阳轨道器极地观测的首批科学发现之一是揭示了当前太阳南极的磁场一片混乱。一块普通磁铁具有明确的北极和南极，而PHI仪器的磁场测量显示，太阳南极区域同时存在北极性和南极性的磁场。

这种情况在每个太阳周期中只会在短时间内发生，即在太阳活动峰期，此时太阳磁场翻转并处于最活跃状态。在磁场翻转后，单一极性应会缓慢积聚并主导太阳两极。从现在起的5-6年后，太阳将进入下一个活动极小期，届时其磁场最为有序，活动水平最低。

“这种积聚过程究竟如何发生尚不完全清楚，因此太阳轨道器在恰好的时机达到了高纬度，能够从其独特而有利的视角追踪整个过程，”萨米指出。

PHI对太阳整体磁场的观测为这些测量提供了背景参考（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跃区，那里的磁场在太阳表面（光球层）的黑子中高度集中。

与此同时，太阳的南极和北极区域都散布着红色和蓝色斑块。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

太阳轨道器另一个有趣的“首次”来自SPICE仪器。作为一种成像光谱仪，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线（光谱线）。过去五年，SPICE利用此功能揭示了太阳表面上空不同层次的活动。

现在，SPICE团队首次成功利用对光谱线的精确追踪，测量了太阳物质团块的移动速度。这被称为“多普勒测量”，其命名源于相同的物理效应——救护车驶过时，其警笛声因多普勒效应而发生音调变化。

由此产生的速度图揭示了太阳物质如何在太阳的特定层次内运动。通过比较SPICE的多普勒图和强度图，可以直接对比被称为“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℃急剧升至数十万度。

SPICE强度图揭示了碳离子团块的位置。SPICE多普勒图用蓝色和红色分别表示碳离子朝向和远离太阳轨道器航天器运动的速度。深蓝色和深红色斑块与因小型羽流或喷流导致的物质快速流动有关。

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关键的科研目标之一。

“当前及过去的空间任务对从太阳出发的太阳风进行多普勒测量，一直受到对太阳两极掠视视角的限制。现在太阳轨道器在高纬度进行的测量将是太阳物理学的一场革命，”SPICE团队负责人、法国巴黎萨克雷大学的弗雷德里克·奥谢尔（Frédéric Auchère）说。

更精彩的还在后面

这些仅是太阳轨道器从其新倾斜轨道进行的第一批观测，这第一批数据的许多部分仍有待进一步分析。太阳轨道器首次完整“极到极”飞掠太阳的全部数据集预计将于2025年10月抵达地球。未来几年，太阳轨道器的全部十个科学仪器都将收集前所未有的数据。

“这仅仅是太阳轨道器‘登天之阶’的第一步：未来几年，该航天器将进一步爬升离开黄道平面，以获得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·米勒（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）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，太阳轨道器通过将其轨道倾斜至相对于太阳赤道17°的角度，正式开启了环绕太阳的“高纬度”之旅。相比之下，行星和所有其他太阳观测航天器均在黄道平面内运行，其轨道最大倾斜度仅为7°。

唯一的例外是欧空局/美国宇航局（ESA/NASA）的尤利西斯任务（1990-2009），该任务曾飞越太阳两极，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两极，同时辅以全套原位传感器，从而对尤利西斯的成果进行补充，并且飞行轨道距离太阳更近。此外，太阳轨道器将在整个太阳周期内监测两极的变化。

太阳轨道器将继续以该倾角环绕太阳运行，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，该航天器将以33°的倾角环绕太阳运行。（太阳轨道器绕日飞行旅程概览。）

太阳轨道器是欧空局与美国宇航局之间的国际合作航天任务，由欧空局运营。太阳轨道器的偏振和日震成像仪（PHI）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）由比利时皇家天文台（ROB）主导。日冕环境光谱成像仪（SPICE）是一项欧洲主导的设备级仪器，由法国巴黎的空间天体物理研究所（IAS）主导。