太陽探測踏上新征程

文/楊詩瑞

▲ 羲和號衛星軌道運行模擬圖

▲ 伽利略記錄太陽黑子的手稿

▲ 尤金·帕克觀看“帕克號”奔向太陽

10 月14 日，我國在太原衛星發射中心使用長征二號丁運載火箭，成功發射首顆太陽探測衛星“羲和號”。“羲和號”全稱為太陽Hα 光譜探測與雙超平臺科學技術試驗衛星，將實現國際首次太陽Hα 波段光譜成像的空間探測，也標志我國正式進入“探日時代”。

太陽是離地球最近的恒星，太陽活動對地球的空間天氣、全球氣候以及航天活動都有著巨大的影響。時至今日，人類對太陽的認知逐漸深入，也發現更多問題。在第25 個太陽活動周期，多個國家開啟了太陽探測的新征程，太陽探測方興未艾。

熟悉而又陌生的太陽

太陽距離地球約1.5 億千米（1個天文單位），是離地球最近、與人類關系最密切的恒星。約46 億年前，太陽在距離銀河系中心2.6 萬光年處，由星云在自身引力作用下坍塌凝聚形成。太陽壽命大致有100 億年，目前正處于壯年期。太陽直徑有139 萬千米，是地球的107 倍，質量達2×1030千克，是地球的33 萬倍，占整個太陽系總質量的99.87%。

太陽時時刻刻都在發生核聚變，源源不斷向外界輻射能量，為人類的家園——地球帶來溫暖和光明，是萬物生長的源泉，也是地球自然演化和人類文明發展的不竭動力。從古至今，人們都對太陽充滿好奇，用各種方式對它進行觀測和研究。我國《漢書·五行志》中保存了最早有明確日期的太陽黑子記錄，古希臘也有哲言“太陽每天都是新的”。

17 世紀，伽利略開始用望遠鏡觀測太陽黑子，牛頓用三棱鏡發現了太陽光譜。到了19 世紀，得益于現代科學發展，人類開始用物理方法研究太陽，太陽物理學快速發展，人類對太陽的認識不斷深化。

1843 年，歐洲天文學家發現太陽黑子的數目大約有11 年的周期變化。隨后，人們發現了太陽耀斑，測定了黑子磁場，確立日冕的存在，發現太陽米波射電輻射、紫外和X 射線光譜。1958 年，尤金·帕克預言了太陽風的存在并在1962 年得到觀測證實。

上世紀60 年代以來，隨著航天技術的快速發展，美國、蘇聯、歐洲、日本等國家先后發射了70 余顆用于太陽探測的衛星和探測器。衛星探測具有無比的優越性，可以排除地球大氣干擾進行多頻段的信號觀測，克服地球晝夜變化和天氣限制開展長時間觀測，太陽探測器把人類對太陽的研究帶到一個開創性的新時代，以前所未有的速度帶來更加豐富的認識。

探測太陽的意義

▲ 日冕物質拋射

太陽是地球及其生命系統的原動力，太陽對地球的總輻射變化影響了地球的長期氣候變化。農耕時代，太陽對人類生產和生活的破壞性影響并不顯著，但隨著科技發展和進入航天時代，人類社會運轉所依賴的各種地面和空間基礎設施，受到空間天氣的影響作用越來越顯著。太陽耀斑等劇烈活動導致太陽風暴，可能對航空航天、導航通訊等高技術系統及遠距離輸油、輸電、輸氣等系統造成災害性后果。太陽活動對人類社會生活的影響已經空前巨大，研究太陽及其影響成為非常重要而緊迫的課題。

1843 年，德國天文學家施瓦貝最早發現太陽黑子的數目大約有11 年的周期變化，后來，天文學家們確認這個周期性現象與太陽的活動有關。一個太陽活動周期為7～14 年，平均約11 年。每一輪周期開始于太陽活動最弱的時候，隨后慢慢增強，大約五六年后達到峰值，然后再慢慢轉弱，直到下一個周期。

在太陽活動極大的年份，耀斑、日冕物質拋射等爆發性事件大大增加，尤其是一次巨大的太陽爆發日冕物質拋射事件，可讓數十億噸的物質短時間內離開太陽，噴射到宇宙空間。爆發時的電磁輻射、高能帶電粒子流和高速等離子體云侵襲地球外層空間，會破壞衛星和載荷，干擾無線電傳播，使衛星定位導航產生誤差，并使航天員面臨高能輻射傷害威脅。

雖然有大氣層保護，太陽爆發仍可能影響地球上航空飛行、無線電通訊，以及高緯度地區電網和管道系統等基礎設施的可靠運行。1989 年3 月， 加拿大魁北克發生大停電，地鐵、火車、飛機等交通工具無法正常運行，許多工作被迫停止，大約600 萬人受到影響，這次事件就是太陽活動的結果。

▲ 國家天文臺懷柔太陽觀測基地

▲ 1962 年的軌道太陽天文臺模型

除了對空間天氣的影響，因為是離人類最近的恒星，太陽是迄今為止唯一一顆人類能觀測到詳細結構和物理過程的恒星，和唯一可以開展高精度磁場測量的恒星。對太陽的詳盡觀測可以幫助人類深入認識恒星內部產能機制、恒星結構和演化，以及恒星磁活動如何影響生命起源和宜居環境等重大科學問題。

半個世紀以來，人類發射了70 多顆衛星去探測太陽，但我們還沒有真正了解太陽。時至今日，太陽爆發活動的成因、預報和對地影響，太陽活動周的異常行為以及太陽輻射與全球氣候變化的關系等，仍舊是尚未被完全解決的世界級難題。

對太陽的探測不僅可以使人類更好地了解和預測空間天氣，趨利避害，而且可以幫助人類揭開宇宙奧秘，牽引航天技術發展，對廣泛的自然科學問題的探索都具有重要意義。

天地一體，綜合觀測

探測太陽的手段主要包括地基望遠鏡觀測和火箭、氣球、衛星等空間探測方式。當前太陽探測以空間探測和地基大型望遠鏡聯合觀測為主導，開啟了多信使、全波段、全時域、高分辨、多尺度、多視角和高精度探測的時代。

太陽輻射的絕大部分能量集中在可見光和近紅外波段，恰好這些波段的輻射可以穿透地球大氣層到達地面。因此地基望遠鏡在太陽觀測中占有非常重要的地位，即使在衛星探測迅速發展的今天，同樣離不開地基望遠鏡的配合。

▲ 太陽對人類的影響

▲ 尤利西斯號探測器

我國在1984 年開始建設國家天文臺懷柔太陽觀測基地，裝備多臺先進的太陽觀測設備，包括35 厘米口徑太陽磁場速度場望遠鏡、60 厘米口徑三通道望遠鏡、全日面光學和磁場監測系統，能夠實現對太陽三維矢量磁場、視向速度場、各種單色像和白光像的全日面或活動區同時觀測，是迄今已建成的功能最齊全的地基太陽觀測基地。

太陽爆發現象，如耀斑、日冕物質拋射、爆發日珥等，幾乎全都發生在太陽大氣中，太陽色球層輻射主要集中在紫外波段，日冕輻射主要發生于極紫外和X 光波段。此外，太陽風、行星際激波和高能粒子現象的電磁輻射主要位于從幾十千赫到幾十兆赫之間，屬于太陽甚低頻波段。

由于地球大氣的吸收和干擾，這些波段的太陽電磁輻射基本上無法到達地面，對這些現象開展觀測，就需要人類把探測器送到大氣層以外的空間。幾十年來，世界各航天大國發射了數十顆太陽探測衛星，重點開展太陽爆發活動、太陽磁場、太陽風傳播演化、空間環境形成演化等方面探測，取得了眾多里程碑式的成果，積累了巨量關于太陽磁場、大氣結構和太陽活動的系統完整的資料。

此次我國發射首顆太陽探測衛星“羲和號”，將實現世界首次太陽Hα 波段光譜成像，通過白光連續譜成像和光譜掃描成像兩種方式觀測太陽。Hα 波段譜線是太陽爆發時響應最強的色球譜線，能夠直接反映爆發的源區特征，通過對Hα 光譜數據的分析，可以從光球層到色球層獲取太陽低層大氣的信息，從而推演太陽爆發時的大氣溫度、速度等物理量的變化，研究太陽爆發的動力學過程和物理機制。

揭開太陽神秘面紗

二戰后，科學家們利用探空火箭對太陽進行了早期的探測，而真正從太空對太陽進行科學探測開始于20 世紀60 年代早期。

1960 年，美國發射先驅者5 號衛星，它的主要任務是探索地球與金星之間太陽耀斑對磁場的影響。飛行過程中，“先驅者5 號”巧遇一場太陽耀斑爆發，探測器記錄到了重要信息。之后60 多年，人類發射眾多太陽探測器，取得眾多標志性成果，逐漸揭開太陽的神秘面紗。

美國宇航局在1962～1971 年間先后發射8 顆同類型衛星，組成軌道太陽天文臺，該系列衛星目標是獲取空間天氣基本數據，保障載人航天任務順利開展。軌道太陽天文臺工作到1978 年，觀測到了完整的太陽活動周期，OSO-7 首次測量到太陽耀斑γ射線譜線發射。

1980 年，美國發射太陽峰年衛星，它在太陽活動極大年時發射，主要科學目標是研究太陽耀斑。該衛星在軌運行近10 年，覆蓋了太陽活動21 周和22 周的上升相，獲取了非常豐富的觀測資料。

1990 年10 月，歐空局和美國宇航局合作研制的“尤利西斯號”發射升空，探測器工作19 年，三次繞過太陽極區，是人類第一個有能力對太陽全維度進行觀測的探測器。它發現了太陽磁場翻轉的特性，探測到科學家未預料到的高緯度輻射暴，觀測到極區太陽風從冕洞逸出的情形。

1991 年1 月，美、英、日三方聯合研制的陽光衛星發射成功。它的主要使命是在太陽活動極大年周期內，利用X 射線望遠鏡和分光計對太陽耀斑等現象進行研究。這也是首次用X射線望遠鏡來專門研究太陽。

2001 年，美國發射起源號探測器，它的任務是搜集太陽風離子并返回地球，用于研究太陽系的起源和演化等方面問題。“起源號”工作在L1 拉格朗日點，雖然在返回時發生意外墜落在美國猶他州沙漠，但還是成功帶回大量樣品。

“日地關系觀測臺”是美國研制的兩個幾乎完全相同的太陽探測器，于2006 年10 月發射升空，分別位于地球繞太陽公轉軌道的前后兩側，站在不同角度使得兩顆探測器能夠捕獲多角度的太陽影像，提供前所未有的太陽立體視圖。

2018 年8 月，帕克太陽探測器發射成功，是人類最接近太陽的探測器，能夠在更近的距離對日冕物質拋射等太陽活動及太陽磁場進行觀測，揭開了人類探索太陽的新征程。

未來發展

▲ 日地關系觀測臺

▲ 陽光衛星

隨著認識的不斷深入，人類關于太陽的問題也越來越多，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問題：一是太陽活動周期的起源問題，探索太陽磁場是如何產生的，太陽磁場主導的太陽活動為什么會有周期性的變化；二是日冕加熱機制，太陽大氣最外層的日冕溫度有上百萬攝氏度，而太陽內層只有6000攝氏度，這種違背熱力學第二定律的現象是怎樣產生的；三是描繪太陽活動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、預測空間環境變化及其產生的社會影響。這些問題都在吸引科學家們不斷深入探索。

太陽活動直接作用于地球空間環境，與人類生存、國民經濟發展和國家安全的許多領域密切關聯，太陽物理研究和太陽探測得到世界主要國家的高度重視，正處在空前繁榮階段，并顯示出良好的發展前景。一方面，各國持續發展新的太陽觀測方法和手段，吸收光學、機械、無線電等領域最新成果，不斷提高探測能力。另一方面，太陽探測在不斷提升分辨率，從日地連線為主的探測升級到太陽抵近或雙視角等多種探測方式，乃至全方位立體探測。

太陽活動周期約11 年，2021 年至2022 年是人類有記錄以來第25 個太陽活動周期的開始，全世界又進入太陽研究新的高峰期。我國作為航天大國，及時開展太陽探測活動，十分必要，不能缺席。

日地關系觀測臺運行情況

我國正在開展的太陽探測計劃有兩個，分別是“羲和”和“夸父”。羲和號衛星重量508 千克，設計壽命3 年，運行于高度517 千米、傾角98度的太陽同步軌道，實現了我國太陽探測破冰之旅，標志著我國正式步入“探日”時代。夸父計劃研制先進天基太陽天文臺衛星，運行于700 千米太陽同步軌道。夸父計劃由3 顆衛星組成，用以全天候監測太陽活動的發生及其伴生現象、太陽活動導致的地球近地空間環境的變化以及地球極光分布等。

此外，我國正在論證后續太陽探測發展計劃，科學家們希望按照在黃道面內多視角探測、大傾角太陽極區探測和太陽抵近觀測“三步走”進行實施，由易到難，逐步深入，進一步了解太陽的構造，確定太陽活動的三維結構，掌握機理和活動規律，預報空間天氣，造福人類。

▲ 太陽輻射與日地空間