太陽探測：半個世紀“追風”史

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水手2號：確認太陽風存在

太陽風的發現者尤金·帕克博士于1958年發表了有關太陽風基本性質的論文，對當時學術界權威查普曼所堅持的太陽靜止大氣理論提出了挑戰。然而，雖然帕克的理論有著相當簡潔明了的物理圖像，但查普曼的學術地位阻止了太陽風理論的廣泛傳播和接受。好在人類太空時代的來臨使得科學家們有機會使用航天器去往行星際空間，在太陽風可能出現的地方進行實地測量。1962年，“水手2號”持續100多天的觀測證實了太陽風的存在，且太陽風的性質與帕克博士預言的基本一致，從而使科學界最終接受了帕克博士的理論、否定了權威查普曼的理論。

“水手2號”是美國“水手計劃”系列探測器中的一顆。這些探測器的任務是對金星、火星等其他行星進行探測，獲得這些行星的基本性質信息，并驗證長距離星際飛行、借力飛行等技術。“水手2號”的目的地是金星，其首要目標是對金星的溫度、大氣厚度、行星磁場強度等性質進行探測。然而，在從地球到金星的飛行過程中，科學家們也沒有讓這搜探測器“偷懶”。“水手2號”搭載的磁場和粒子探測設備對行星際空間中的物質和磁場進行了持續的探測。探測數據表明，行星際空間中存在遠離太陽的高速帶電粒子流，其速度在400公里/秒到700公里/秒間變化，且持續存在、從未停息，與帕克博士對太陽風的預言的完全一致。在此之前，蘇聯的月球1號探測器和美國的“探測者10號”都曾經探測到過這樣的粒子流，但它們的探測數據或者物理參數不夠全面，或者持續的時間太短，而“水手2號”的探測則給太陽風的存在帶來了確切的證據，由此開啟了太陽風探測的大幕。

▲太陽神探測器

太陽神A、B：靠近太陽的探測

2018年8月12日發射的帕克太陽探測器將以前所未有的距離接近太陽，解開日冕加熱和太陽風加速的謎題。而在上世紀70年代發射的太陽神A、太陽神B探測器，曾創下了帕克太陽探測器之前人造飛行器距離太陽最小的記錄。兩艘探測器均運行在環繞太陽的大橢圓軌道上。太陽神A的近日點距離為0.311AU，而太陽神B探測器的近日點距離則進一步縮小到0.291AU。太陽神計劃由美國和聯邦德國合作完成，聯邦德國的空間機構DFVLR出資70%，美國宇航局出資30%。兩艘探測器的制造均由德國公司完成，因此這兩艘探測器也稱為太空時代開始以來第一組在美國和蘇聯以外制造的航天器。

太陽神A在飛行過程中遇到了一些麻煩，探測器的一個天線沒有正確展開，導致了對低頻等離子體波探測靈敏度的下降。同時，科學家們還發現太陽神A的高增益天線在與地球通信時，會干擾科學儀器的正常工作。為了克服這個問題，他們不得不在地面上征用了更大口徑的天線，讓太陽神A使用低增益天線與地面通訊。較晚發射的太陽神B與太陽神A的設計基本相同，但根據太陽神A暴露出的問題做了若干改進。此外，盡管太陽神A已經距離太陽很近，但工程師們發現其在近日點的溫度仍然低于設計指標，因此太陽神B在安全工作的前提下進一步調低了近日點的位置。

太陽神A與太陽神B探測器對太陽風的物理參數和波動性質進行了成功的探測。雖然與太陽的距離還不足以到達日冕，但這兩艘探測器還是發現了許多在地球附近沒有發現的現象，為太陽風理論的發展提供了新的研究素材與證據。例如，兩艘探測器發現了快速太陽風和冕洞間的聯系，還對太陽爆發時產生的激波特性隨著日心距離的增加而發生的變化。此外，由于這兩艘探測器進行科學探測的時間較長，科學家們還能利用累積的數據對太陽風的一些特性進行統計平均研究。

▲SOHO探測器

SOHO與ACE：L1點雙雄

在太陽與地球的連線上，存在一個性質特別的日地第一拉格朗日點（L1點）。在地球和太陽引力的共同作用下，部署在這里的飛船繞太陽公轉的角速度和地球繞太陽公轉的角速度一樣。也就是說，地球繞太陽公轉過多少角度，飛船就會轉過同樣的角度，因此，它始終處于地球和太陽連線上的固定位置。對于使用類似望遠鏡的儀器進行遙感觀測的探測器來說，此處能夠在保持與地球不間斷通信的情況下對太陽進行穩定連續的觀測。而對于進行局地太陽風參數探測的探測器，L1點可以說是太陽風暴吹襲地球、造成災害影響前的最后一道防線。當太陽風暴到達L1點、被衛星探測到后，地球尚有幾十分鐘的預警時間，可以采取一些最后的應急措施。L1點處于地球磁層之外，探測到的是尚未與地球磁層發生相互作用的太陽風數據，對研究太陽風性質、驗證太陽風預報模式的預報效果有不可替代的作用。

1996年和1997年，SOHO探測器和ACE探測器相繼開始在L1點工作，并一直正常工作到了今天。SOHO主要側重于遙感感測，能夠通過不同波段、不同原理的觀測儀器洞悉從太陽內部到太陽大氣中的秘密。利用太陽表面的多普勒現象，SOHO能夠得到光球上的磁場分布，還能通過太陽內部P波和S波傳播特性的差異反推太陽內部的情況。在低層日冕中，形成太陽風的等離子體能夠釋放出極紫外波段的輻射信號，SOHO通過極紫外波段的觀測可以獲取低層日冕的信息，對耀斑爆發做出監測。太陽風等離子體在日冕中還會散射太陽光，形成白光日冕。在日食過程中觀測到的日冕結構就是白光日冕。SOHO上裝備了一種名叫日冕儀的儀器，能夠不間斷地制造人工日食，使科學家們可以通過白光日冕的形態追蹤太陽風暴傳播的軌跡。

ACE的工作位置雖然和SOHO相同，但裝備的都是進行局地探測的儀器。從ACE部署到L1點開始，科學家們第一次獲得了同一點長達數十年的不間斷的太陽風局地觀測數據，極大地推動了太陽風和太陽風暴性質的研究。ACE可以測量飛船所在位置的太陽風的溫度、密度等參數，還能測定太陽風流和太陽風所攜帶磁場的方向和大小。在太陽風中，含量最高的是氫離子，但也有氦離子、鐵離子、氧離子等重離子。這些重離子的含量雖然比氫離子少很多，但他們卻攜帶了非常重要的物理信息。當這些重離子離開日冕時，它們的性質便不再發生改變。因此，通過對比局地觀測中的重離子性質和日冕遙感觀測，科學家們可以推測某一時間觀測到的太陽風來源于日冕中的哪類區域，從而更清楚地認識太陽風的傳播演化過程。目前，ACE已經進入超期服役狀態，而美國已經發射DSCOVR衛星到L1點，來接替ACE的探測工作。

▲ACE探測器

▲在不同波段對太陽進行觀測所獲取的拼合圖像

▲STEREO A 和B探測器

STEREO和SDO：新世紀的太陽風探測器

2006年，兩顆STEREO探測器被發射升空，在利用月球的引力進行借力飛行后，這兩艘設計制造完全相同的雙胞胎探測器進入了環繞太陽的軌道。STEREO-A軌道位于地球公轉軌道的內側，而STEREO-B軌道位于地球公轉軌道的外側，軌道的差異使得兩艘探測器繞日公轉的角速度有所差異。從地球公轉方向看，STEREO-A的角速度要大于STEREO-B，因此兩艘飛船相對地球的距離將逐漸增大，從而能從不同角度觀察太陽上的同一現象，實現更立體的太陽遙感觀測。除了極紫外和白光日冕觀測儀器外，STEREO還裝備了一種名叫“日球儀”的儀器，能夠分辨出太陽風暴在距離太陽很遠的行星際空間中傳播的軌跡，從而幫助科學家們更好地研究和預報太陽風暴。2011年，兩顆STEREO探測器間的夾角達到了180度，進行了人類歷史上首次對太陽360度的同時觀測。2014年，STEREO-B探測器在一次例行維護中姿態失控，重新對衛星恢復控制的嘗試也沒有成功，使這顆探測器目前仍然處于失聯狀態。

▲SDO探測器拍攝的一次X級耀斑爆發

2010年，SDO探測器發射升空。它和SOHO、STEREO一樣，也是一艘進行遙感觀測探測器，但和其他遙感探測器不同的是，SDO并沒有進入環繞太陽的軌道，而是在地球軌道上進行觀測太陽的工作。由于與地球的距離較近和新技術的采用，SDO下傳觀測數據的速率比其他太陽探測器都要高，使得它所搭載的三臺高精度遙感觀測儀器的數據能夠及時下傳。SDO的觀測方式與SOHO和STEREO基本重合，但精度有很大提高，可以使科學家們看清日冕中一些結構的細節，從而更深入地揭示日冕中的各類物理過程。