太阳科学在月球上前景广阔
这张月球凌日的图片，由美国国家航空航天局（NASA）太阳动力学观测站（Solar Dynamics Observatory，SDO）于2017年8月21日拍摄的171埃的极紫外光和可见光图像混合构成。
版权：NASA/SDO
NASA致力于在2024年之前实现阿尔特弥斯（Artemis）登月计划有诸多原因：这是研究月球本身并为通往火星奠定安全基础的重要途径。同时，也是一个学习更好的保护地球的好地方 ，地球是更大的太阳-地球系统的一部分。
太阳物理学家 – 即研究太阳及其对地球影响的科学家 – 也将发射他们自己的NASA任务，作为Artemis计划的一部分。他们的目标是更好地了解地球周围复杂的太空环境，其中大部分是由太阳的能量所驱动的。我们对这个系统了解得越多，就越能保护太空技术、无线电通讯和公用电网不受离我们最近的恒星的威胁。
太阳物理学家对在月球上的机遇感到欣喜若狂有如下五点原因：
1. 她是一颗稳定的卫星
以月球为基础的科学的第一个优势涉及到卫星颤振，这使各个领域的太空科学家都感到不安。
当月球绕地球公转时，它以同样的速度自转 – 这是潮汐锁定的一种特殊情况，被称为同步自转（synchronous rotation）。因此，月球总是以同一面朝着地球。
版权：NASA科学可视化工作室（NASA’s Scientific Visualization Studio）/厄尼•赖特（Ernie Wright）
卫星比你想象的更不稳定。它们由随着温度变化而膨胀和收缩的金属制成。它们携带的望远镜不断地旋转以保持在瞄准目标的状态。它们点燃助推器，旋转反作用轮以保持在轨道上。这些操作中的每一个都会引起卫星颤振，从而影响有精度要求的测量。
但作为地球唯一的天然卫星，月球的运行要平稳得多。
位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的太阳物理学家大卫•西贝克（David Sibeck）表示：“月球是一个非常稳定的地方 – 它不像航天器那样抖动或颤振。任何试图进行高分辨率测量的人都会对不用担心颤振感到高兴。”
对于所有的太空科学来说，没有颤振的环境是一个加分项，但是对于研究极光的太阳物理学家来说，还有额外的加分项。月球距离地球的平均距离为238,855英里，当极光在猛烈的地磁暴下向赤道方向转移时，在月球上能够以很好的视野观测极光。此外，由于月球的总是以同一面朝着地球，望远镜几乎不需要调整。把望远镜安置在月球表面，月亮会“自动”帮助你使其瞄准地球。
2. 最好的日食观赏，按需创造
早在太空时代之前，科学家们就依靠月球来帮助他们研究太阳。耐心的观察者等待着日全食，这时月亮遮住了太阳明亮的表面。只有这个时候，他们才能看到被称为日冕的稀薄外层大气。
日全食动画。
版权：NASA戈达德太空飞行中心（ Goddard Space Flight Center）/概念图像实验室（Conceptual Image Lab）
[rml_read_more]
但可能需要等待很久。地球上的某个地方发生日全食的频率大概为每18个月一次。对于任意的特定地点，发生日全食的概率更像是每四百年一次。
Goddard的太阳物理学家约翰•库珀（John Cooper）表示：“我们从日食中得到了非常棒的数据。但我们无法每天都能得到这种数据。”
但是，在正确的月球轨道上的太阳观测望远镜，可以“按需”创造日食。Cooper解释道，与其等着月亮穿过望远镜的视线，你可以把自己的视线移到月亮后面。
Cooper表示：“大致来说，你是在用月球边缘的刃边来对着漆黑的天空。”由于月球没有使图像扭曲的大气层，所以测量结果甚至比地球上的还要清晰。
从它的近距离轨道来看，这样的望远镜不会创造日全食 – 它一次会研究太阳边缘的一部分。但Cooper估计，在每一次绕行中，你可以同时看到太阳的东侧和西侧边缘。
3. 它在地球磁场之外
太空天气是太阳物理学中纯科学得到实时应用的一部分。太空天气科学家研究太阳 – 包括它持续的太阳风 – 以及它们对地球的影响。这些应用研究人员必须正确掌握基本的物理知识，以保证我们宝贵的通信和GPS卫星的安全。但是确定一颗卫星是否处于危险之中是一件棘手的事情。
日冕物质抛射击中地球磁场的模拟动画。
版权：NASA’s Goddard Space Flight Center/Scientific Visualization Studio/社区协调建模中心（Community-Coordinated Modeling Center）
卫星的安全取决于它是在地球磁层顶（magnetopause）的内部还是外部。磁层顶是一个不断变化的无人区，地球的磁场在这里终结，太空天气的全面冲击开启。在磁层顶内部，你基本上是安全的。在磁层顶外部，却并非安全。
但是现在，知道磁层顶的边界在哪里的唯一方法，就是飞越它。
Sibeck表示：“有时候数据会有波动，你可以看到边界越过了你。有时候你会发现十个波动。”
但如果你能到达距离地球磁场外部足够遥远的地方，还有另一种方法可以找到磁层顶。当太阳风在磁层顶外部撞击地球大气层时，它会发射X射线。若在合适的位置安置一个X射线望远镜，就可以捕捉这些X光并跟踪磁层顶的位置。
这就是为什么Sibeck加入由波士顿大学的太空科学家布莱恩•沃尔什（Brian Walsh）领导的研究小组，他们正在把一个X射线望远镜安置在月球上。
Sibeck表示：“没有人拍过这种全球照片，而月球在地球磁场之外有很好的有利位置。”
月球环境日光层X射线成像仪（The Lunar Environment heliospheric X-ray Imager），或称LEXI任务，将被安置在月球表面，以拍摄实时的全球磁层顶照片。2019年7月1日，NASA宣布LEXI将成为参与Artemis任务的首批月球有效载荷之一。他们预计LEXI最早将于2022年登陆月球表面。
LEXI只有一码（a yard long）多一点，但月球表面可以容纳更大的X射线望远镜。这是个好消息，因为X射线很难聚焦；更长的望远镜能得到更高分辨率的图像。望远镜要大的需求带来了一个问题：有些卫星不够大，无法承载大型望远镜。Sibeck表示：“但在月球上，可以安置很大的望远镜。”
4. 你可以挖掘出太阳的历史
太阳物理学中一些问题的答案就埋藏在月球上。
NASA负责探索的副协理署长史蒂夫•克拉克（Steve Clarke）表示：“月球就像一个时间胶囊。因为它和地球是在同一时期形成的，所以其表面有太阳系的历史。”
在最初的10亿年里，太阳的自转速度可能比现在要快，这导致了更大规模的太阳喷发，并使形成行星的太空空间带电。但是要确切地知道最初的10亿年是什么样的，我们需要关于很久很久以前发生的事情的证据。
月球 – 没有大气，没有液态水，也没有板块构造 – 提供了这样一个历史记录。数十亿年前的太阳喷发在月球尘埃中留下了未受干扰的痕迹。
利用NASA的ARTEMIS任务的数据进行的研究表明太阳风和月球的地壳磁场如何共同作用，使月球形成或深或浅的独特漩涡。
版权：NASA’s Goddard Space Flight Center
最近的一篇论文通过研究月球尘埃来研究了月球样品中残留的易挥发物质的量，比如低沸点的钠、钾等元素。当高能太阳粒子撞击月球表面时，这些易挥发物质就从月球上流失。通过研究这些元素随着时间的推移减少了多少，科学家们在更广阔的背景下看到了太阳最初10亿年的情形。尽管它过去的旋转速度比现在要快，但与其他恒星相比，它仍然是一个“慢旋转体”，其旋转速度比50%的类似恒星要慢，而且爆发的频率也远低于可能的水平。
该研究的主要作者，同时也是Goddard的天文学家帕拉巴尔•萨克塞纳（Prabal Saxena）表示：“太阳当时的环境可能更为严酷。”
从月球尘埃中我们还可以了解到更多的古代历史。今天的月球没有地球上这样的全球性磁场 – 但过去可能曾经有过磁场。即将到来的Artemis任务计划在月球两极着陆，从那里采集的样本可以显示历史上的磁场是否改变了残留的易挥发物质的形态。
5. 它是火星的试验台
对于未来在月球和火星上的宇航员来说，需要对太空天气进行持续关注。太阳会产生很多让人担心的事情 – 而且它移动得很快。
在月球上，来自太阳耀斑的X射线在8分钟内到达月球表面。日冕物质抛射 – 巨大的带电热粒子云 – 可以在一天之内到达月球表面。太阳高能粒子（Solar Energetic Particles, SEPs）较为罕见，但速度更快也更危险。
戈达德太空天气实验室的太阳物理学家卡琳•穆格莱奇（Karin Muglach）表示：“SEPs以光速的10%到20%的速度在一小时内到达地球。SEPs就像子弹一样。”
太空辐射是宇航员登陆月球时的一个关键安全因素。NASA正在探索各种各样的方法和技术，以减轻太空旅行中不同类型的辐射。
版权：NASA’s Goddard Space Flight Center/Joy Ng
因为月球距离地球相对很近，所以地球上的预警系统应该足以保护月球上的宇航员。Muglach表示：“但是如果去往火星，通讯可能会被延迟。”
在附近测试这样的保护系统是NASA在登陆火星之前登陆月球的原因之一。
去往月球以及更广阔的宇宙空间
随着NASA朝着月球和火星前进，了解日地关系的新机会层出不穷。但这不仅仅是基础科学。太阳的影响充满了我们周围的太空 – 未来的宇航员将需要航行和理解的宇宙空间。
NASA华盛顿总部的首席太空天气科学家吉姆•斯潘（Jim Spann）表示：“并不是所有的科学都有实际应用价值，我认为这很酷。”
来源：https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/sun-science-has-a-bright-future-on-the-moon