嫌日全食時間太短，科學家決定在太空手搓一個

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導讀

日全食絕對是地球上能看到的最壯觀的天象。日全食也給我們難得的觀測日冕的機會。然而在地球上看“黑太陽”最長只有6、7分鐘，短的時候只有幾秒鐘。有沒有辦法獲得更多的觀測時長呢?科學家們想了想說：要不我們人造日全食吧!

Proba-3進入太空

北京時間2024年12月5日18:34，歐洲航天局借助印度的航天發射場，利用PSLV-XL(火箭極軌衛星運載火箭)將一顆新型日冕觀測衛星探索3號(Proba-3)送入太空。18分鐘后，衛星與火箭上面級分離，成功進入預定軌道。

PSLV火箭起飛（來源：ISRO）

Proba是拉丁語，表示“探索、探究、嘗試”。英文probe有“探測器、探針”之意，也正來源于此。有意思的是，Proba也是歐洲航天局工程師湊出來的名稱，全名是“PRoject for OnBoard Autonomy”，意思是探索自主運行等新技術的低成本衛星。這一系列共有四顆衛星，其中Proba-2也是一顆太陽觀測衛星，2009年發射，擁有20多個有效載荷和科學儀器。

這次發射的Proba-3衛星比較特殊，它是“一顆”太陽觀測衛星，但是將分為兩個部分——其中一顆衛星是望遠鏡，而另一顆將充當日冕儀，也就是主動將太陽的光球部分遮擋住，人為制造日全食天象。

日全食是研究日冕良機

我們知道，由于日地月三者大小和距離呈現天然的巧合——日地距離大約是月地距離的400倍，太陽直徑大約是月球直徑的400倍——造就了地球表面最震撼的天象奇觀日全食。然而，月球的本影投射在地球上的范圍非常狹小，全食帶長至多10000公里，而寬至多約200公里，有時候可能只有幾公里。

2024年美國日全食的全食帶（深灰色）（來源：國家地理中文網）

日全食為我們創造了觀察太陽研究太陽的絕佳機會。當太陽完全被月亮遮擋住的時候，平日里隱藏在耀眼的陽光里的日冕以磅礴之勢顯露出來。日冕是太陽大氣的最外層，其亮度只有太陽表面的百萬分之一，但其溫度卻比太陽表面高1百萬度。究竟是什么原因造成這種反常?這是太陽身上最大謎團之一。但是，日全食的時間頂多不過6分多鐘，最短的只有幾秒鐘。

2023年澳大利亞日全食。白色云氣狀結構就是日冕。（作者：張瑤）

有沒有辦法“人造”日全食呢?天文學家會將望遠鏡送入太空，在鏡頭前安裝一個日冕儀，簡單說就是用一個小圓片將太陽光球層擋住。然而，通常日冕儀距離望遠鏡太近，根據近大遠小的原理，日冕儀要做得夠小，才能剛好擋住太陽圓面，避免過多日冕(尤其是內冕)也被擋住。但是，越小的遮擋物，也會產生越大的光衍射。于是，為了解決這個問題，歐空局開創性地使用一對衛星進行編組飛行，讓他們保持一定的距離，這樣就能創造一個更長時間日全食。

人造日全食

Proba-3由兩部分組成，一是星冕儀飛行器(CSC)，質量約300公斤，攜帶星冕儀和日影監視傳感器對日進行觀測，另一個是掩星飛行器(OSC)，質量約250公斤，攜帶一個直徑1.4米的圓盤，當做一個“假月亮”。OSC與CSC的距離保持在150米，OSC將在CSC上投下一個直徑約8厘米的陰影，從而人為制造一場日全食天象。兩個航天器之間將通過無線電通信，令彼此間的距離、位置偏差保持在幾毫米以下，確保在觀測太陽時，讓CSC上口徑5厘米的相機始終停留在OSC圓盤的本影之下。

Proba-3的運行軌道（來源：ESA-P. Carril）

Proba-3人造日全食藝術畫（來源：ESA-P. Carril）

為了延長這場日全食天象的時間，Proba-3選用了一條高橢圓軌道(HEO)，近地點600公里，遠地點60530公里，軌道周期19.7小時。這樣，在衛星到達遠地點時，運行速度會比較慢，由此我們可以得到長達6個多小時的日全食!并且，這個高度上可以盡量避免地球微薄大氣和磁場對航天器的干擾，也可盡量減小引力在兩個航天器上的作用差異。因為它們嚴格說它們并不工作在同一軌道高度，地球作用在CSC上的引力略大于OSC，所以OSC必須依靠定時噴射燃料才能保持二者同步。

Proba-3掩星飛行器（OSC）載荷示意圖（來源：ESA）

Proba-3星冕儀飛行器（CSC）載荷示意圖 （ 來源： ESA-P. Carril ）

Proba-3的主要關注對象是日冕，擁有1分鐘刷新一次圖像的速率，最快可以達到每30秒一次，這將幫助我們更好地了解諸如日冕物質拋射這樣的爆發現象。比較一下，SOHO衛星的圖像刷新頻率只有12分鐘一張。除此以外，Proba-3還將監測太陽輻射總功率、穿越地磁場的電子通量等數據，這也是空間天氣監測的一個重要環節。

SOHO觀測到的日冕物質拋射（來源：NASA）

把一個地球上幾年一遇，同一地點平均300年一遇，一次只能看幾分鐘的日全食，變成一個每19個半小時就能欣賞6小時的天象，這本身就是一件很有意思的事情，不知道是否有機會一窺內日冕的究竟。