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宇宙噪音可以改善太空天气预报

2005年9月,过渡区和日冕探测器(TRACE)航天器拍摄的太阳耀斑特写。

曾经被天体物理学家视为X射线观测污染的信号实际上可以改善对威胁地球的危险太空天气的预测。

太阳风中的带电粒子与笼罩地球的磁场碰撞时会发出所谓的软X射线。软X射线比硬X射线具有更长的波长和更低的频率。

这一信号曾被认为是局部宇宙噪音,干扰了太空天文台对遥远的高温物体的观测,直到一些科学家意识到它对地球的意义。

测量软X射线发射可以让科学家们实时了解地球磁场的变化,也被称为磁层,它保护地球免受太阳风暴的影响。过去的观测表明,软X射线数据对太阳风的变化反应最为迅速。

马里兰州格林贝尔特NASAGoddard太空飞行中心的天体物理学家迈克尔·科利尔说:“在这种情况下,这不是一个预先警告的问题,而是获得全球视野,即立即了解各地发生的事情。”

对磁层有一个完整、不断变化的观点,不仅可以提高太空行走的预测,还可能解决科学争议,如磁重联的工作原理。当缠结的磁力线合并并在带电粒子之间以热和动能的形式释放能量时,就会发生这种现象。

科利尔和他的同事在6月15日出版的美国地球物理联合会周刊《Eos》上详细介绍了他们的建议。

X射线惊喜

20年前,这种软X射线的使用似乎是不可想象的,因为只有超新星遗迹或恒星等非常热的物体才会产生X射线。20世纪90年代,当德国伦琴卫星观测到Hyakutake彗星发出的软X射线时,这种观点发生了变化。

科学家发现,太阳风中电离的碳、氧和氢原子最终与彗星附近的中性原子碰撞,并从原子中窃取一个电子。这使得这些离子在很短一段时间内超级兴奋,然后它们放松并以软X射线的形式发射能量。

科利尔和他的同事说,当太阳风进入地球磁层时,也会发生同样的现象。他们指出,欧洲航天局的X射线多镜牛顿飞船进行的观测揭示了太阳风中的带电粒子是如何发射软X射线的。

美国国家航空航天局的钱德拉X射线天文台还利用软X射线数据绘制了太阳风如何在火星和金星周围流动的图片。

但科利尔表示,即使现有的软X射线望远镜已经证明了如何对地球磁层成像的“概念证明”,也需要一项新的专门任务来进行全职观测。

科利尔在接受《太空网》采访时表示:“一个真正的磁健康成像仪,在依赖于天体物理学望远镜中应用的相同观测技术的同时,需要进行设计才能实现宽视场。”

当太阳风遇到地球磁场的弓形冲击时,速度会急剧减慢。来自减弱的太阳风的一些粒子仍然穿透称为磁鞘的中间区域,但大多数粒子不会越过称为磁层顶的下一个边界。

一种新的太空风向标

将X射线成像仪放在正确的位置可以提供几乎全天候的磁层变化的实时视图。将成像仪放置在地球和太阳之间一个称为L1拉格朗日点的特殊位置,将使航天器保持在一个相对固定的位置,通过两个大天体的平衡引力保持在适当的位置。

科利尔解释说,即使是在地球轨道上的航天器,也可能允许几乎24/7的覆盖,除了成像器最终进入磁层向外看的轨道的一小部分。

这种覆盖范围对于试图预测破坏性太阳事件的太空天气预测模型来说尤其重要。在1989年3月的一场太阳风暴中,一个太阳爆发出一股带电粒子波,导致魁北克的电力供应中断,整个北美的电力和通信中断。

但科利尔指出,几乎任何有利位置都能提供突破性的科学观测。X射线成像仪可以帮助精确定位磁层顶和弓形激波的精确位置,并揭示太阳能风能是如何在磁层周围和穿过磁层的。

科利尔说:“这真的就像盲人和大象:可以说,现有的太阳物理任务为我们提供了对树干或尾巴的非常好的观测。”“一台成像仪将为我们提供完整的大象。”


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