歐洲航天局的 Proba-3 任務實現了一項航天奇跡：兩顆衛星以完美的隊形飛行，可根據需要模擬日全食。他們的首次人工日食觀測帶來了令人驚嘆的太陽外層大氣圖像，為科學家們提供了前所未有的日冕觀測視角。這些圖像不僅加深了我們對太陽風暴和日冕之謎的理解，也證明了自主編隊飛行的可行性。

Proba-3 的兩艘航天器以精確的隊形飛行，彼此相距約 150 米，在太空中形成一個外部日冕儀。其中一艘航天器遮蔽了太陽，以便另一艘航天器研究原本不可見的日冕。圖片來源：ESA-P. Carril

6月16日，歐洲航天局的Proba-3任務揭示了令人嘆為觀止的景象：它首次拍攝到了太陽外層大氣（即日冕）的圖像。該任務利用兩顆同步飛行的衛星，在太空中創造了一次人工日全食——無需月球。這一突破不僅拍攝出了令人驚嘆的圖像，還提供了寶貴的科學數據，可以加深我們對太陽及其奇特、超高溫大氣層的理解。

這張照片拍攝于2025年5月23日，太陽內日冕呈現綠色，由歐洲航天局（ESA）的Proba-3衛星上的ASPIICS日冕儀拍攝。Proba-3衛星能夠在軌道上制造人工日全食。這張照片以可見光光譜拍攝，其日冕與人眼在日食期間透過綠色濾光片看到的日冕相似。這些毛發狀結構是使用專門的圖像處理算法顯示的。圖片來源：ESA/Proba-3/ASPIICS/WOW算法

今年3月，Proba-3衛星創造了一項世界紀錄。它的兩顆衛星，分別名為“日冕儀”和“遮蔽者”，以完美的隊形飛行，間隔僅150米。更令人印象深刻的是，它們完全沒有借助地面控制人員的幫助就完成了飛行。

得益于先進的導航技術，衛星能夠以毫米級的精度保持位置對準。在這種精確的配置下飛行時，它們通過將“遮蔽者”號航天器上的一個圓盤對準太陽前方，遮擋了太陽明亮的中心，形成了一個雖小但威力強大的陰影。

這個只有8厘米寬的微小陰影直接落在了日冕儀衛星ASPIICS上。該設備旨在精細研究日冕，由比利時列日空間中心領導的歐洲團隊研發。當陰影恰好落在日冕儀衛星上時，ASPIICS能夠成像太陽微弱的外層輝光，而不會受到太陽中心耀眼光芒的干擾。

為了在計劃的六小時內，從掩星器到日冕儀形成穩定的日食，這兩個探測器必須將日食的軌跡保持在毫米級的精度，大約相當于普通指甲的厚度。這兩個探測器利用一套傳感器自主完成這一任務。星間無線電鏈路、追蹤LED的光學攝像機、經后向反射器反射的激光，以及環繞ASPIICS孔徑的陰影傳感器，共同輔助星體跟蹤器和衛星導航。圖片來源：ESA-F. Zonno

觀測日冕對于揭示太陽風（太陽向外太空持續不斷的物質流）至關重要。它對于理解日冕物質拋射（CME）的運作也至關重要。日冕物質拋射是太陽幾乎每天都會向外發射的粒子爆炸，尤其是在太陽活動高峰期。

此類事件不僅會在夜空中形成令人驚嘆的極光，還會對現代科技構成嚴重威脅。它們可能會嚴重擾亂地球上的通信、電力傳輸和導航系統，就像2024年5月發生的一樣。

ASPIICS 第一輪觀測得到的日冕圖像讓我們得以一窺這次日食觀測任務所能獲得的寶貴數據。

歐空局技術、工程和質量總監迪特馬爾·皮爾茨 (Dietmar Pilz) 表示：“Proba-3 進行精確編隊飛行的許多技術都是通過歐空局的通用支持技術計劃 (GTS) 開發的，任務本身也是如此。看到這些令人驚嘆的圖像在世界上首次精確編隊飛行任務中驗證了我們的技術，我們感到非常興奮。”

這張照片是 2025 年 5 月 23 日由 Proba-3 號上的 ASPIICS 日冕儀拍攝的，照片中太陽內冕被人工染成了深綠色。Proba-3 號是 ESA 的編隊飛行任務，能夠在軌道上制造人工日全食。ASPIICS 儀器通過兩條不同的“譜線”捕捉日冕，每條譜線對應日冕氣體中的一種不同元素。這張照片顯示的是日冕綠線的觀測結果——這條譜線是由鐵原子發射的，由于極高的溫度，它們失去了一半的電子。這使我們能夠看到日冕中最熱的部分，溫度高達 200 萬度。在左上方，可以看到一個熱環從太陽表面延伸到日冕，日冕是一種通常在太陽耀斑之后出現的結構。圖片來源：ESA/Proba-3/ASPIICS

太陽熾熱的日冕溫度超過一百萬攝氏度，遠高于其表面溫度。這種違反直覺的溫差長期以來一直是科學界關注的話題。

Proba-3 的 ASPIICS 正在通過研究非常靠近太陽表面的日冕來解答這個謎團。由于到達探測器的“雜散”光大幅減少，它能夠觀測到比傳統日冕儀更豐富的細節，探測到更微弱的特征。

Proba-3項目科學家喬·贊德補充道：“看到ASPIICS發來的首批數據令人興奮不已。結合ASPIICS搭載的另一臺儀器——DARA——的測量數據，ASPIICS將有助于解開關于我們母星的長期疑問。”

數字絕對輻射計（DARA）將測量太陽總輻照度——即太陽在任何時刻釋放的精確能量。Proba-3 上的第三臺科學儀器——3D 高能電子能譜儀（3DEES）將探測地球輻射帶中的電子，測量其起源方向和能級。

這張照片拍攝于2025年3月25日，太陽內日冕呈現出淡黃色。這張照片由歐洲航天局（ESA）的Proba-3衛星上的ASPIICS日冕儀拍攝。Proba-3衛星能夠在軌道上制造人工日全食。圖片來源：ESA/Proba-3/ASPIICS

“看到這些圖像我真是激動不已，尤其是我們一次就拍到了，”比利時皇家天文臺ASPIICS首席研究員安德烈·朱可夫評論道。“現在我們正在努力將每次軌道觀測時間延長至6小時。”

這些圖像由比利時皇家天文臺主辦的ASPIICS科學操作中心（SOC）處理。在這里，一支由科學家和工程師組成的專業團隊根據科學界的請求為日冕儀創建操作指令，并分享觀測結果。

安德烈解釋說：“每張完整的圖像——覆蓋從掩日區域一直到視野邊緣的區域——實際上是由三張圖像構成的。它們之間的區別僅在于曝光時間，這決定了日冕儀孔徑的曝光時間。將三張圖像組合起來，我們就能得到日冕的完整視圖。”

我們的“人工日食”圖像與自然日食期間拍攝的圖像相當。不同之處在于，我們可以每19.6小時的軌道周期制造一次日食，而自然日全食每年僅發生一次左右，很少發生兩次。此外，自然日全食僅持續幾分鐘，而Proba-3的人工日食持續時間長達6小時。

這張照片拍攝于2025年5月23日，由歐洲航天局（ESA）的Proba-3衛星上的ASPIICS日冕儀拍攝，該日冕儀被人工染成紫色。Proba-3衛星能夠在軌道上制造人工日全食。這張照片顯示了日冕在偏振白光下的形態，科學家使用一種特殊技術捕捉到了日冕的偏振光，這種技術使科學家能夠將熾熱日冕的偏振光與行星際塵埃散射的光區分開來。圖片來源：ESA/Proba-3/ASPIICS

Proba-3 任務經理 Damien Galano 指出：“兩艘航天器在太空中形成一個巨大的日冕儀，使我們能夠在觀測中捕捉到雜散光水平非常低的內日冕，正如我們預期的那樣。

雖然我們仍處于調試階段，但我們已經實現了前所未有的精確編隊飛行。這使我們能夠捕捉到此次任務的首批圖像，這些圖像無疑將對科學界具有很高的價值。

“我們迄今為止完成的編隊飛行是自主進行的，但地面控制團隊隨時準備進行干預，糾正任何潛在的偏差。我們剩下的任務是實現完全自主，屆時我們對系統充滿信心，甚至無需進行地面例行監控。”

歐空局編隊飛行的 Proba-3 任務上的 ASPIICS 日冕儀能夠在太陽極紫外成像儀和傳統日冕儀視野之間的空隙中觀測日冕，這使得它特別適合研究內日冕。這幅圖像是 2025 年 5 月 23 日由三個不同的歐洲儀器在不同任務上拍攝的觀測結果的組合：由 Proba-2 上的極紫外望遠鏡 (SWAP) 拍攝的太陽圓面（人工染成黃色）；由 SOHO 上的 LASCO C2 日冕儀觀測到的外日冕（紅色）；以及由 Proba-3 的 ASPIICS 日冕儀詳細拍攝的內日冕（綠色），填補了空白。圖片來源：ESA/NASA/Proba-2/Proba-3/SOHO/SWAP/ASPIICS/LASCO C2/WOW 算法

Proba-3 令人驚嘆的圖像也引發了計算機模型模擬日冕和創造“數字日食”方式的一場小革命。

在過去的幾年里，歐洲各地的幾家研究所已經開發出模型來模擬這些觀測結果，并為科學家提供觀察太陽的手段，但創建這些模擬所需的源材料卻很缺乏。

“目前的日冕儀無法與Proba-3相提并論，后者將觀測幾乎延伸至太陽表面邊緣的日冕。到目前為止，這只有在自然日食期間才有可能實現，”歐空局空間天氣建模協調員豪爾赫·阿瑪亞（Jorge Amaya）說道。

神秘的日冕——比太陽本身溫度高得多——是太空天氣的起源。我們已經擁有可以研究太陽、低日冕和高日冕的儀器。然而，在低日冕和高日冕之間存在一個區域——一個空隙——觀測非常困難。這個區域位于三個太陽半徑以內，大部分區域仍未被探索。通常情況下，只有在地球上的日食期間才能觀測到這個“空隙”區域。Proba-3 的 ASPIICS 儀器將使我們對太陽及其日冕的近距離觀測范圍從三個太陽半徑縮小到八個太陽半徑，從而使我們能夠持續研究太陽風和日冕物質拋射。圖片來源：ESA-F。Zonno

“如此大量的觀測數據將有助于進一步完善計算機模型，因為我們會比較和調整變量，使其與真實圖像相匹配。我們與魯汶大學的團隊合作，他們開發了這樣一個模型，并成功模擬了 Proba-3 的首次觀測結果。”

魯汶大學的“COCONUT”軟件是歐空局虛擬空間天氣建模中心（VSWMC）集成的多個太陽日冕模型之一。它可以與大量描述連接太陽和地球的其他物理過程的計算機模型相結合。所有這些模型共同構成了一幅全面描繪影響地球的太陽現象的圖像，并幫助公民和工業界做好準備。

Proba-3 是由歐洲航天局 (ESA) 領導的一項開創性任務，旨在以前所未有的精度研究太陽外層大氣。它由兩艘以超精確編隊飛行的航天器組成，在軌道上制造人工日食，使科學家能夠在不受太陽中心盤眩光影響的情況下觀測到難以捉摸的日冕。

Proba-3 于 2024 年 12 月 5 日搭載 PSLV-XL 火箭從印度斯里哈里科塔的薩蒂什·達萬航天中心發射升空，這是一項重大國際合作的成果。該任務由西班牙 Sener 公司管理，并有來自 14 個國家的 29 多家公司參與。主要合作伙伴包括西班牙的 GMV 公司和空中客車防務與航天公司，以及比利時的 Redwire Space 公司和 Spacebel 公司。

這個雄心勃勃的項目不僅增進了我們對太陽物理學的理解，還展示了自主編隊飛行和太空日冕學方面的尖端技術。

編譯自/ScitechDaily