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2025 年将在拉格朗日 L5 点部署探测器,为地球提供太阳风暴预警

太阳,作为太阳系中心的恒星,不仅为地球带来了能量,孕育出生命,其一举一动更是影响着其他天体。对于人类而言,寿命超过 45 亿年的太阳具有非凡的科研价值,更好地了解它,不仅可以帮助我们探索宇宙和天体的奥秘,还关乎到地球的命运和人类的日常生活。

近来,欧洲空间局(ESA)打算从没尝试过的拉格朗日 L5 点监控太阳活动,预计在 2025 年之后建立相关预警机制。该项目将围绕太阳风暴展开,在出现太阳风暴等剧烈活动时通知人类,尽可能减少其负面影响。如果成功,它将成为第一个持续停留在 L5 点周围的探测器。

2025 年将在拉格朗日 L5 点部署探测器,为地球提供太阳风暴预警

为什么要在意太阳风暴?

太阳风暴指的是太阳上出现了一系列规模巨大的能量爆发现象,通常还会伴随日冕物质抛射,把数十亿吨携带着巨大能量的带电物质释放到太空中。它们一旦接近地球,会对太空中的设备造成损害,还会干扰地球磁场,造成地磁风暴、电离层扰动和地面感应电流,影响卫星、无线通信、导航和电力等系统的正常工作。

有历史记录以来,最强大的太阳风暴发生于 1859 年 9 月,也被称为卡灵顿事件。由于大量的带电粒子(太阳风)进入了地球磁场,甚至连热带地区的古巴都出现了极光。在欧洲和北美,属于当时主流通讯手段的电报系统则出现过载,电子设备轻则火花飞溅,重则直接着火。

也许这样的太阳风暴可能只是数百年一遇,但就算是普通的太阳风暴也可能造成难以想象的后果。比如在 1967 年 5 月,正值美苏冷战期间,受太阳风暴影响,美国北半球的弹道导弹预警系统雷达突然中断。美军怀疑是苏联干扰,双方一度陷入剑拔弩张的境地。

我们应该感到幸运,如此大规模的磁暴没有出现在高度依赖科技的今天,否则小到一颗芯片,大到一架飞机,绝大部分依赖无线通信的设备都可能出现异常,而且无法推测会以什么样的形式展现出来,比如卫星,手机和网络服务被切断,或者各国电网遭到破坏,出现全球大规模停电,造成的经济损失可能高达数万亿美元。

虽然人类发射了无数颗卫星和航天器,但目前只有一艘探测器负责监控太阳活动,名为太阳和太阳风层探测器(Solar and Heliospheric Observatory Satellite, 缩写为 SOHO)。它于1995年发射升空,主要用于监控太空天气,尤其是日冕物质抛射活动,因此它就像人类在太空的眼睛一样,是监控和预测太阳风暴的重要工具。

SOHO 通过观察太阳风,日冕物质抛射和太阳耀斑等现象来判断是否有大型太阳风暴。到目前为止,它的服役时间已经超过预期时间的 4 倍。虽然 ESA 认为它还可以使用到 2022-2024 年,但建造另一个更先进的探测器已经迫在眉睫,否则我们将面临随时“失明”的风险。

“拉格朗日任务”

与 SOHO 和其它太空气象探测器不同,ESA 这次打算从一个新的角度观测太阳:拉格朗日 L5 点,离地球大约一个天文单位(约 1.5 亿公里)。

拉格朗日点,是天体力学中重要概念,它描述了一个小物体于两个巨大质量天体引力范围内的特殊位置。在该点处,两个天体的引力可以相互抵消,因此相对于两者,小物体基本保持静止。

在三者组成的系统内(三体问题),共有 5 个拉格朗日点,即 L1,L2,L3,L4 和 L5,它们的位置如下图所示。

在这里,探测器代表了一个小物体,太阳和地球代表了剩下的两个大型天体。L5 点位于一个稳定的引力平衡点,与太阳和地球组成一个等边三角形,非常适合观测向地球传播的太阳风暴,观测范围覆盖了整个日地空间。

SOHO 位于日地之间的 L1 位置,因为发射和停留所消耗的能量比较少,还可以很直观地观测太阳。但它的缺点在于,只能看到太阳的一面,预测时间较短,因此 ESA 才决定将下一台探测器部署在 L5 点,从侧面监控太阳活动,两者形成互补。而且新探测器还可以监控太阳尚未转向地球的表面,增加预测的提前量。(太阳的自转周期约为 27 天)

除此之外,在两台探测器的帮助下,预测精准度也会有所提高。目前,最快的日冕抛射物只需要 15-18 个小时就可以到达地球,而 SOHO 的预测精度在 6-12 小时左右。ESA 预计,如果配合 L5 点的新探测器,对日冕抛射物质的预测精度有望提高一倍左右。

将预警时间提前数个小时,是一项很有价值的投资。面对较弱的太阳风暴,NASA 等相关机构可以提醒国际空间站成员,不要安排太空行走,同时通知电网和通信机构,准备好备用方案,以免基础服务大规模中断。

如果超级太阳风暴来袭,卫星、GPS、电网、互联网和交通等系统都会受到影响,相关机构必须采取停运或其他保护措施,避免设备出现大规模故障,威胁使用者的生命安全。

从技术角度分析,ESA 的项目很具有挑战性。L5 点距离地球约 1.5 亿公里,是 SOHO 所在的 L1 点的 100 倍,这意味着数据的传输速率会大大降低,如何满足太阳风暴预警的时效要求,是工程师必须克服的技术难关之一。而且想要在地球旋转的过程中,始终接收到探测器的信号,ESA 需要在现有的Estrack 观测站网络中,找到三个均匀分布的观测站协同工作。

此外,太阳风暴还会对探测器本身造成影响,所以它必须能够承受住极强的辐射和磁场,才能保证任务的持久性和数据的准确性。

研发团队表示,为了保证探测器可以在太阳风暴的洗礼中继续成像,他们将使用人工智能技术逐帧识别和删除图像上的带电粒子——它们会在图像上呈“雪花状”。

目前,该项目仍处于早期阶段,ESA 团队正在制定技术计划,寻找资金和性能的平衡点,预计于今年 11 月上交提案。德国和英国都已表示出支持该项目的意愿,如果一切按计划进行,新的探测器有望在 2025 年发射升空。

除了欧洲的 ESA,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)也计划建立一台太阳观测器,取代在 L1 点的 SOHO。中国科学院也在最近提出了“羲和计划”,尝试在 L5 点部署卫星,完成对太阳风暴的捕捉、预测和研究。

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