太陽(yáng)探測(cè)踏上新征程

文/楊詩(shī)瑞

▲ 羲和號(hào)衛(wèi)星軌道運(yùn)行模擬圖

▲ 伽利略記錄太陽(yáng)黑子的手稿

▲ 尤金·帕克觀看“帕克號(hào)”奔向太陽(yáng)

10 月14 日，我國(guó)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心使用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭，成功發(fā)射首顆太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星“羲和號(hào)”?！棒撕吞?hào)”全稱為太陽(yáng)Hα 光譜探測(cè)與雙超平臺(tái)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，將實(shí)現(xiàn)國(guó)際首次太陽(yáng)Hα 波段光譜成像的空間探測(cè)，也標(biāo)志我國(guó)正式進(jìn)入“探日時(shí)代”。

太陽(yáng)是離地球最近的恒星，太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球的空間天氣、全球氣候以及航天活動(dòng)都有著巨大的影響。時(shí)至今日，人類對(duì)太陽(yáng)的認(rèn)知逐漸深入，也發(fā)現(xiàn)更多問(wèn)題。在第25 個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期，多個(gè)國(guó)家開(kāi)啟了太陽(yáng)探測(cè)的新征程，太陽(yáng)探測(cè)方興未艾。

熟悉而又陌生的太陽(yáng)

太陽(yáng)距離地球約1.5 億千米（1個(gè)天文單位），是離地球最近、與人類關(guān)系最密切的恒星。約46 億年前，太陽(yáng)在距離銀河系中心2.6 萬(wàn)光年處，由星云在自身引力作用下坍塌凝聚形成。太陽(yáng)壽命大致有100 億年，目前正處于壯年期。太陽(yáng)直徑有139 萬(wàn)千米，是地球的107 倍，質(zhì)量達(dá)2×1030千克，是地球的33 萬(wàn)倍，占整個(gè)太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.87%。

太陽(yáng)時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)生核聚變，源源不斷向外界輻射能量，為人類的家園——地球帶來(lái)溫暖和光明，是萬(wàn)物生長(zhǎng)的源泉，也是地球自然演化和人類文明發(fā)展的不竭動(dòng)力。從古至今，人們都對(duì)太陽(yáng)充滿好奇，用各種方式對(duì)它進(jìn)行觀測(cè)和研究。我國(guó)《漢書(shū)·五行志》中保存了最早有明確日期的太陽(yáng)黑子記錄，古希臘也有哲言“太陽(yáng)每天都是新的”。

17 世紀(jì)，伽利略開(kāi)始用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽(yáng)黑子，牛頓用三棱鏡發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光譜。到了19 世紀(jì)，得益于現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展，人類開(kāi)始用物理方法研究太陽(yáng)，太陽(yáng)物理學(xué)快速發(fā)展，人類對(duì)太陽(yáng)的認(rèn)識(shí)不斷深化。

1843 年，歐洲天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)黑子的數(shù)目大約有11 年的周期變化。隨后，人們發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)耀斑，測(cè)定了黑子磁場(chǎng)，確立日冕的存在，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)米波射電輻射、紫外和X 射線光譜。1958 年，尤金·帕克預(yù)言了太陽(yáng)風(fēng)的存在并在1962 年得到觀測(cè)證實(shí)。

上世紀(jì)60 年代以來(lái)，隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，美國(guó)、蘇聯(lián)、歐洲、日本等國(guó)家先后發(fā)射了70 余顆用于太陽(yáng)探測(cè)的衛(wèi)星和探測(cè)器。衛(wèi)星探測(cè)具有無(wú)比的優(yōu)越性，可以排除地球大氣干擾進(jìn)行多頻段的信號(hào)觀測(cè)，克服地球晝夜變化和天氣限制開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，太陽(yáng)探測(cè)器把人類對(duì)太陽(yáng)的研究帶到一個(gè)開(kāi)創(chuàng)性的新時(shí)代，以前所未有的速度帶來(lái)更加豐富的認(rèn)識(shí)。

探測(cè)太陽(yáng)的意義

▲ 日冕物質(zhì)拋射

太陽(yáng)是地球及其生命系統(tǒng)的原動(dòng)力，太陽(yáng)對(duì)地球的總輻射變化影響了地球的長(zhǎng)期氣候變化。農(nóng)耕時(shí)代，太陽(yáng)對(duì)人類生產(chǎn)和生活的破壞性影響并不顯著，但隨著科技發(fā)展和進(jìn)入航天時(shí)代，人類社會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)所依賴的各種地面和空間基礎(chǔ)設(shè)施，受到空間天氣的影響作用越來(lái)越顯著。太陽(yáng)耀斑等劇烈活動(dòng)導(dǎo)致太陽(yáng)風(fēng)暴，可能對(duì)航空航天、導(dǎo)航通訊等高技術(shù)系統(tǒng)及遠(yuǎn)距離輸油、輸電、輸氣等系統(tǒng)造成災(zāi)害性后果。太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)人類社會(huì)生活的影響已經(jīng)空前巨大，研究太陽(yáng)及其影響成為非常重要而緊迫的課題。

1843 年，德國(guó)天文學(xué)家施瓦貝最早發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)黑子的數(shù)目大約有11 年的周期變化，后來(lái)，天文學(xué)家們確認(rèn)這個(gè)周期性現(xiàn)象與太陽(yáng)的活動(dòng)有關(guān)。一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期為7～14 年，平均約11 年。每一輪周期開(kāi)始于太陽(yáng)活動(dòng)最弱的時(shí)候，隨后慢慢增強(qiáng)，大約五六年后達(dá)到峰值，然后再慢慢轉(zhuǎn)弱，直到下一個(gè)周期。

在太陽(yáng)活動(dòng)極大的年份，耀斑、日冕物質(zhì)拋射等爆發(fā)性事件大大增加，尤其是一次巨大的太陽(yáng)爆發(fā)日冕物質(zhì)拋射事件，可讓數(shù)十億噸的物質(zhì)短時(shí)間內(nèi)離開(kāi)太陽(yáng)，噴射到宇宙空間。爆發(fā)時(shí)的電磁輻射、高能帶電粒子流和高速等離子體云侵襲地球外層空間，會(huì)破壞衛(wèi)星和載荷，干擾無(wú)線電傳播，使衛(wèi)星定位導(dǎo)航產(chǎn)生誤差，并使航天員面臨高能輻射傷害威脅。

雖然有大氣層保護(hù)，太陽(yáng)爆發(fā)仍可能影響地球上航空飛行、無(wú)線電通訊，以及高緯度地區(qū)電網(wǎng)和管道系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施的可靠運(yùn)行。1989 年3 月， 加拿大魁北克發(fā)生大停電，地鐵、火車、飛機(jī)等交通工具無(wú)法正常運(yùn)行，許多工作被迫停止，大約600 萬(wàn)人受到影響，這次事件就是太陽(yáng)活動(dòng)的結(jié)果。

▲ 國(guó)家天文臺(tái)懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地

▲ 1962 年的軌道太陽(yáng)天文臺(tái)模型

除了對(duì)空間天氣的影響，因?yàn)槭请x人類最近的恒星，太陽(yáng)是迄今為止唯一一顆人類能觀測(cè)到詳細(xì)結(jié)構(gòu)和物理過(guò)程的恒星，和唯一可以開(kāi)展高精度磁場(chǎng)測(cè)量的恒星。對(duì)太陽(yáng)的詳盡觀測(cè)可以幫助人類深入認(rèn)識(shí)恒星內(nèi)部產(chǎn)能機(jī)制、恒星結(jié)構(gòu)和演化，以及恒星磁活動(dòng)如何影響生命起源和宜居環(huán)境等重大科學(xué)問(wèn)題。

半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人類發(fā)射了70 多顆衛(wèi)星去探測(cè)太陽(yáng)，但我們還沒(méi)有真正了解太陽(yáng)。時(shí)至今日，太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)的成因、預(yù)報(bào)和對(duì)地影響，太陽(yáng)活動(dòng)周的異常行為以及太陽(yáng)輻射與全球氣候變化的關(guān)系等，仍舊是尚未被完全解決的世界級(jí)難題。

對(duì)太陽(yáng)的探測(cè)不僅可以使人類更好地了解和預(yù)測(cè)空間天氣，趨利避害，而且可以幫助人類揭開(kāi)宇宙奧秘，牽引航天技術(shù)發(fā)展，對(duì)廣泛的自然科學(xué)問(wèn)題的探索都具有重要意義。

天地一體，綜合觀測(cè)

探測(cè)太陽(yáng)的手段主要包括地基望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)和火箭、氣球、衛(wèi)星等空間探測(cè)方式。當(dāng)前太陽(yáng)探測(cè)以空間探測(cè)和地基大型望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合觀測(cè)為主導(dǎo)，開(kāi)啟了多信使、全波段、全時(shí)域、高分辨、多尺度、多視角和高精度探測(cè)的時(shí)代。

太陽(yáng)輻射的絕大部分能量集中在可見(jiàn)光和近紅外波段，恰好這些波段的輻射可以穿透地球大氣層到達(dá)地面。因此地基望遠(yuǎn)鏡在太陽(yáng)觀測(cè)中占有非常重要的地位，即使在衛(wèi)星探測(cè)迅速發(fā)展的今天，同樣離不開(kāi)地基望遠(yuǎn)鏡的配合。

▲ 太陽(yáng)對(duì)人類的影響

▲ 尤利西斯號(hào)探測(cè)器

我國(guó)在1984 年開(kāi)始建設(shè)國(guó)家天文臺(tái)懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地，裝備多臺(tái)先進(jìn)的太陽(yáng)觀測(cè)設(shè)備，包括35 厘米口徑太陽(yáng)磁場(chǎng)速度場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡、60 厘米口徑三通道望遠(yuǎn)鏡、全日面光學(xué)和磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太陽(yáng)三維矢量磁場(chǎng)、視向速度場(chǎng)、各種單色像和白光像的全日面或活動(dòng)區(qū)同時(shí)觀測(cè)，是迄今已建成的功能最齊全的地基太陽(yáng)觀測(cè)基地。

太陽(yáng)爆發(fā)現(xiàn)象，如耀斑、日冕物質(zhì)拋射、爆發(fā)日珥等，幾乎全都發(fā)生在太陽(yáng)大氣中，太陽(yáng)色球?qū)虞椛渲饕性谧贤獠ǘ?，日冕輻射主要發(fā)生于極紫外和X 光波段。此外，太陽(yáng)風(fēng)、行星際激波和高能粒子現(xiàn)象的電磁輻射主要位于從幾十千赫到幾十兆赫之間，屬于太陽(yáng)甚低頻波段。

由于地球大氣的吸收和干擾，這些波段的太陽(yáng)電磁輻射基本上無(wú)法到達(dá)地面，對(duì)這些現(xiàn)象開(kāi)展觀測(cè)，就需要人類把探測(cè)器送到大氣層以外的空間。幾十年來(lái)，世界各航天大國(guó)發(fā)射了數(shù)十顆太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星，重點(diǎn)開(kāi)展太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)、太陽(yáng)磁場(chǎng)、太陽(yáng)風(fēng)傳播演化、空間環(huán)境形成演化等方面探測(cè)，取得了眾多里程碑式的成果，積累了巨量關(guān)于太陽(yáng)磁場(chǎng)、大氣結(jié)構(gòu)和太陽(yáng)活動(dòng)的系統(tǒng)完整的資料。

此次我國(guó)發(fā)射首顆太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星“羲和號(hào)”，將實(shí)現(xiàn)世界首次太陽(yáng)Hα 波段光譜成像，通過(guò)白光連續(xù)譜成像和光譜掃描成像兩種方式觀測(cè)太陽(yáng)。Hα 波段譜線是太陽(yáng)爆發(fā)時(shí)響應(yīng)最強(qiáng)的色球譜線，能夠直接反映爆發(fā)的源區(qū)特征，通過(guò)對(duì)Hα 光譜數(shù)據(jù)的分析，可以從光球?qū)拥缴驅(qū)荧@取太陽(yáng)低層大氣的信息，從而推演太陽(yáng)爆發(fā)時(shí)的大氣溫度、速度等物理量的變化，研究太陽(yáng)爆發(fā)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和物理機(jī)制。

揭開(kāi)太陽(yáng)神秘面紗

二戰(zhàn)后，科學(xué)家們利用探空火箭對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行了早期的探測(cè)，而真正從太空對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行科學(xué)探測(cè)開(kāi)始于20 世紀(jì)60 年代早期。

1960 年，美國(guó)發(fā)射先驅(qū)者5 號(hào)衛(wèi)星，它的主要任務(wù)是探索地球與金星之間太陽(yáng)耀斑對(duì)磁場(chǎng)的影響。飛行過(guò)程中，“先驅(qū)者5 號(hào)”巧遇一場(chǎng)太陽(yáng)耀斑爆發(fā)，探測(cè)器記錄到了重要信息。之后60 多年，人類發(fā)射眾多太陽(yáng)探測(cè)器，取得眾多標(biāo)志性成果，逐漸揭開(kāi)太陽(yáng)的神秘面紗。

美國(guó)宇航局在1962～1971 年間先后發(fā)射8 顆同類型衛(wèi)星，組成軌道太陽(yáng)天文臺(tái)，該系列衛(wèi)星目標(biāo)是獲取空間天氣基本數(shù)據(jù)，保障載人航天任務(wù)順利開(kāi)展。軌道太陽(yáng)天文臺(tái)工作到1978 年，觀測(cè)到了完整的太陽(yáng)活動(dòng)周期，OSO-7 首次測(cè)量到太陽(yáng)耀斑γ射線譜線發(fā)射。

1980 年，美國(guó)發(fā)射太陽(yáng)峰年衛(wèi)星，它在太陽(yáng)活動(dòng)極大年時(shí)發(fā)射，主要科學(xué)目標(biāo)是研究太陽(yáng)耀斑。該衛(wèi)星在軌運(yùn)行近10 年，覆蓋了太陽(yáng)活動(dòng)21 周和22 周的上升相，獲取了非常豐富的觀測(cè)資料。

1990 年10 月，歐空局和美國(guó)宇航局合作研制的“尤利西斯號(hào)”發(fā)射升空，探測(cè)器工作19 年，三次繞過(guò)太陽(yáng)極區(qū)，是人類第一個(gè)有能力對(duì)太陽(yáng)全維度進(jìn)行觀測(cè)的探測(cè)器。它發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)的特性，探測(cè)到科學(xué)家未預(yù)料到的高緯度輻射暴，觀測(cè)到極區(qū)太陽(yáng)風(fēng)從冕洞逸出的情形。

1991 年1 月，美、英、日三方聯(lián)合研制的陽(yáng)光衛(wèi)星發(fā)射成功。它的主要使命是在太陽(yáng)活動(dòng)極大年周期內(nèi)，利用X 射線望遠(yuǎn)鏡和分光計(jì)對(duì)太陽(yáng)耀斑等現(xiàn)象進(jìn)行研究。這也是首次用X射線望遠(yuǎn)鏡來(lái)專門(mén)研究太陽(yáng)。

2001 年，美國(guó)發(fā)射起源號(hào)探測(cè)器，它的任務(wù)是搜集太陽(yáng)風(fēng)離子并返回地球，用于研究太陽(yáng)系的起源和演化等方面問(wèn)題。“起源號(hào)”工作在L1 拉格朗日點(diǎn)，雖然在返回時(shí)發(fā)生意外墜落在美國(guó)猶他州沙漠，但還是成功帶回大量樣品。

“日地關(guān)系觀測(cè)臺(tái)”是美國(guó)研制的兩個(gè)幾乎完全相同的太陽(yáng)探測(cè)器，于2006 年10 月發(fā)射升空，分別位于地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)軌道的前后兩側(cè)，站在不同角度使得兩顆探測(cè)器能夠捕獲多角度的太陽(yáng)影像，提供前所未有的太陽(yáng)立體視圖。

2018 年8 月，帕克太陽(yáng)探測(cè)器發(fā)射成功，是人類最接近太陽(yáng)的探測(cè)器，能夠在更近的距離對(duì)日冕物質(zhì)拋射等太陽(yáng)活動(dòng)及太陽(yáng)磁場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)，揭開(kāi)了人類探索太陽(yáng)的新征程。

未來(lái)發(fā)展

▲ 日地關(guān)系觀測(cè)臺(tái)

▲ 陽(yáng)光衛(wèi)星

隨著認(rèn)識(shí)的不斷深入，人類關(guān)于太陽(yáng)的問(wèn)題也越來(lái)越多，還有很多重大的未解之謎等待破解。其中最主要有三大科學(xué)問(wèn)題：一是太陽(yáng)活動(dòng)周期的起源問(wèn)題，探索太陽(yáng)磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生的，太陽(yáng)磁場(chǎng)主導(dǎo)的太陽(yáng)活動(dòng)為什么會(huì)有周期性的變化；二是日冕加熱機(jī)制，太陽(yáng)大氣最外層的日冕溫度有上百萬(wàn)攝氏度，而太陽(yáng)內(nèi)層只有6000攝氏度，這種違背熱力學(xué)第二定律的現(xiàn)象是怎樣產(chǎn)生的；三是描繪太陽(yáng)活動(dòng)在日地空間傳播和影響的完整物理圖像，從而更好地理解日地系統(tǒng)、預(yù)測(cè)空間環(huán)境變化及其產(chǎn)生的社會(huì)影響。這些問(wèn)題都在吸引科學(xué)家們不斷深入探索。

太陽(yáng)活動(dòng)直接作用于地球空間環(huán)境，與人類生存、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全的許多領(lǐng)域密切關(guān)聯(lián)，太陽(yáng)物理研究和太陽(yáng)探測(cè)得到世界主要國(guó)家的高度重視，正處在空前繁榮階段，并顯示出良好的發(fā)展前景。一方面，各國(guó)持續(xù)發(fā)展新的太陽(yáng)觀測(cè)方法和手段，吸收光學(xué)、機(jī)械、無(wú)線電等領(lǐng)域最新成果，不斷提高探測(cè)能力。另一方面，太陽(yáng)探測(cè)在不斷提升分辨率，從日地連線為主的探測(cè)升級(jí)到太陽(yáng)抵近或雙視角等多種探測(cè)方式，乃至全方位立體探測(cè)。

太陽(yáng)活動(dòng)周期約11 年，2021 年至2022 年是人類有記錄以來(lái)第25 個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期的開(kāi)始，全世界又進(jìn)入太陽(yáng)研究新的高峰期。我國(guó)作為航天大國(guó)，及時(shí)開(kāi)展太陽(yáng)探測(cè)活動(dòng)，十分必要，不能缺席。

日地關(guān)系觀測(cè)臺(tái)運(yùn)行情況

我國(guó)正在開(kāi)展的太陽(yáng)探測(cè)計(jì)劃有兩個(gè)，分別是“羲和”和“夸父”。羲和號(hào)衛(wèi)星重量508 千克，設(shè)計(jì)壽命3 年，運(yùn)行于高度517 千米、傾角98度的太陽(yáng)同步軌道，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)太陽(yáng)探測(cè)破冰之旅，標(biāo)志著我國(guó)正式步入“探日”時(shí)代?？涓赣?jì)劃研制先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)衛(wèi)星，運(yùn)行于700 千米太陽(yáng)同步軌道?？涓赣?jì)劃由3 顆衛(wèi)星組成，用以全天候監(jiān)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)的發(fā)生及其伴生現(xiàn)象、太陽(yáng)活動(dòng)導(dǎo)致的地球近地空間環(huán)境的變化以及地球極光分布等。

此外，我國(guó)正在論證后續(xù)太陽(yáng)探測(cè)發(fā)展計(jì)劃，科學(xué)家們希望按照在黃道面內(nèi)多視角探測(cè)、大傾角太陽(yáng)極區(qū)探測(cè)和太陽(yáng)抵近觀測(cè)“三步走”進(jìn)行實(shí)施，由易到難，逐步深入，進(jìn)一步了解太陽(yáng)的構(gòu)造，確定太陽(yáng)活動(dòng)的三維結(jié)構(gòu)，掌握機(jī)理和活動(dòng)規(guī)律，預(yù)報(bào)空間天氣，造福人類。

▲ 太陽(yáng)輻射與日地空間