逐日未來(lái)時(shí)

探測(cè)器陸續(xù)升空，我國(guó)步入“探日”時(shí)代

從古至今，太陽(yáng)引發(fā)了人類太多思考，我們對(duì)這顆耀眼的恒星充滿好奇：它為什么會(huì)發(fā)光？是永恒存在的嗎？結(jié)構(gòu)是什么？會(huì)對(duì)地球造成哪些影響？為了回答這些問(wèn)題，科學(xué)家不僅發(fā)展出了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)，還建造或發(fā)射了各種探測(cè)器，試圖揭開(kāi)太陽(yáng)的神秘面紗。

10月14日，我國(guó)首顆太陽(yáng)探測(cè)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號(hào)”成功發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)太陽(yáng)探測(cè)零的突破，標(biāo)志著我國(guó)太空探測(cè)正式步入“探日”時(shí)代。

太陽(yáng)這個(gè)與人類存續(xù)息息相關(guān)的恒星，還有哪些未解之謎？未來(lái)科學(xué)家們又將怎樣探索太陽(yáng)？

齊魯晚報(bào)·齊魯壹點(diǎn)

記者 于梅君

“羲和號(hào)”成功發(fā)射

我國(guó)步入探日時(shí)代

“太陽(yáng)對(duì)地球演化和人類文明發(fā)展的作用不可或缺，同時(shí)，太陽(yáng)對(duì)地球的影響也無(wú)所不在，主要體現(xiàn)在太陽(yáng)爆發(fā)產(chǎn)生大量帶電高能粒子，對(duì)地球電磁環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，其中尤以太陽(yáng)黑子、耀斑和日冕物質(zhì)拋射對(duì)地球電磁環(huán)境影響最為顯著?！眹?guó)家航天局對(duì)地觀測(cè)與數(shù)據(jù)中心主任、高分辨率對(duì)地觀測(cè)重大專項(xiàng)工程總設(shè)計(jì)師趙堅(jiān)介紹，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。

“探測(cè)和研究太陽(yáng)活動(dòng)，提出應(yīng)對(duì)措施，可以降低或規(guī)避對(duì)地球的不利影響。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?！壁w堅(jiān)說(shuō)。

此次發(fā)射的“羲和號(hào)”衛(wèi)星全稱是太陽(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，主要科學(xué)載荷為太陽(yáng)空間望遠(yuǎn)鏡。

“羲和號(hào)”整星重量508公斤，設(shè)計(jì)壽命3年，運(yùn)行于517公里高度、傾角98度的太陽(yáng)同步軌道，該軌道將經(jīng)過(guò)地球的南北極，能24小時(shí)連續(xù)對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行觀測(cè)。“羲和號(hào)”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了國(guó)際首次太陽(yáng)Hα波段光譜成像的空間探測(cè)，將填補(bǔ)太陽(yáng)爆發(fā)源區(qū)高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)的空白。

此外，“羲和號(hào)”衛(wèi)星采用了在軌試驗(yàn)超高指向精度、超高穩(wěn)定度的新型衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)。與傳統(tǒng)衛(wèi)星平臺(tái)相比，“羲和號(hào)”衛(wèi)星平臺(tái)的指向精度、姿態(tài)穩(wěn)定度均提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)?！棒撕吞?hào)”高性能技術(shù)衛(wèi)星平臺(tái)在軌試驗(yàn)成功后，是世界上首次將磁浮技術(shù)在航天器上進(jìn)行工程應(yīng)用，將大幅提升我國(guó)空間觀測(cè)技術(shù)水平。

“夸父”明年發(fā)射

未來(lái)我國(guó)將立體探日

自上世紀(jì)60年代以來(lái)，全世界已發(fā)射了70多顆太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星，主要集中在美國(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)家，聚焦于太陽(yáng)黑子、耀斑和日冕物質(zhì)拋射的觀測(cè)研究。

2006年10月美國(guó)發(fā)射世界第一對(duì)孿生太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星——日地關(guān)系觀測(cè)平臺(tái)，對(duì)太陽(yáng)黑子爆發(fā)時(shí)進(jìn)行了三維成像；2009年1月，俄羅斯發(fā)射了“科羅納斯”太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星，探測(cè)太陽(yáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球氣候、大氣層及生物圈的影響；2018年美國(guó)“帕克”太陽(yáng)探測(cè)器發(fā)射升空，近距離對(duì)太陽(yáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)。

我國(guó)目前已制定兩個(gè)太陽(yáng)探測(cè)計(jì)劃，“羲和號(hào)”實(shí)現(xiàn)了我國(guó)太陽(yáng)探測(cè)破冰之旅，“夸父”計(jì)劃則是研制發(fā)射先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)衛(wèi)星，揭示太陽(yáng)磁場(chǎng)、太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射(一磁兩暴)的形成及相互關(guān)系，計(jì)劃于明年發(fā)射。

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，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)。

根據(jù)設(shè)想，我國(guó)將在2035年前后，通過(guò)兩次發(fā)射任務(wù)(分別為一箭三星、一箭兩星)，構(gòu)建起環(huán)繞黃道面(地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道平面)、太陽(yáng)極區(qū)的全方位立體探測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)全球和日地空間的立體探測(cè)。

太陽(yáng)的三大

未解之謎

關(guān)于太陽(yáng)還有很多未解之謎，最主要的有三大科學(xué)問(wèn)題。

第一個(gè)問(wèn)題：太陽(yáng)活動(dòng)為什么會(huì)有周期性？太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象的原動(dòng)力來(lái)自太陽(yáng)上的磁場(chǎng)，其強(qiáng)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的表征是太陽(yáng)黑子，也是太陽(yáng)光球上的相對(duì)低溫區(qū)域。太陽(yáng)黑子有著11年的周期，其長(zhǎng)期變化和地球氣候密切相關(guān)，例如氣候?qū)W上的小冰河時(shí)期(約1300年—1850年間)，太陽(yáng)活動(dòng)顯著弱于后續(xù)年代的平均水平。

1908年，美國(guó)天文學(xué)家海耳發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)黑子是太陽(yáng)上的強(qiáng)磁場(chǎng)，第一次證實(shí)了宇宙天體中磁場(chǎng)的存在，也揭示了太陽(yáng)活動(dòng)源自太陽(yáng)磁場(chǎng)。然而，太陽(yáng)磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生的？其主導(dǎo)的太陽(yáng)活動(dòng)為什么會(huì)有周期性變化？這些問(wèn)題被稱為太陽(yáng)活動(dòng)周期起源之謎。

第二個(gè)問(wèn)題：日冕為什么那么熱？和地球一樣，太陽(yáng)也可從內(nèi)到外分成很多層次，分別為日核(溫度約1500萬(wàn)℃)、輻射區(qū)(約700萬(wàn)℃)、對(duì)流區(qū)(約200萬(wàn)℃)、光球(數(shù)千℃)、色球(數(shù)千至數(shù)萬(wàn)℃)、日冕(百萬(wàn)℃)?？梢钥吹剑?yáng)的溫度結(jié)構(gòu)和地球越往外溫度越低明顯不同，太陽(yáng)大氣最外層的日冕呈現(xiàn)反常的高溫狀態(tài)，這違背了熱力學(xué)第二定律，如何解釋日冕的加熱機(jī)制是天體物理的重大科學(xué)難題。

第三個(gè)問(wèn)題：如何對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的日地物理傳播過(guò)程和行星際效應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)和預(yù)報(bào)？1989年3月，狂暴的日冕物質(zhì)拋射引發(fā)極強(qiáng)的地磁爆，導(dǎo)致加拿大魁北克省大范圍停電。太陽(yáng)探測(cè)主要目標(biāo)是為了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。因此，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，是當(dāng)代日地物理最前沿的科學(xué)問(wèn)題。

在三大科學(xué)問(wèn)題中，磁場(chǎng)都起著至關(guān)重要的作用。但受到目前觀測(cè)能力、技術(shù)手段等局限，人類對(duì)太陽(yáng)磁場(chǎng)的了解還不夠深入。這就牽出天體物理的另一個(gè)基本問(wèn)題：恒星大氣中的纖維化輻射磁對(duì)流過(guò)程。

太陽(yáng)探測(cè)的

未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)

在美歐成功實(shí)施了里程碑性質(zhì)的PSP(帕克太陽(yáng)能探測(cè)器)和Solar　Orbiter(太陽(yáng)軌道飛行器)以后，國(guó)際相關(guān)領(lǐng)域的探測(cè)熱點(diǎn)聚焦到了太陽(yáng)探測(cè)的最后一塊空白——太陽(yáng)極區(qū)的探測(cè)。

無(wú)論天基還是地基觀測(cè)，當(dāng)我們身處黃道面的時(shí)候，由于投影效應(yīng)和臨邊昏暗效應(yīng)等，我們對(duì)太陽(yáng)極區(qū)的觀測(cè)非常困難。這種困難相當(dāng)于兩個(gè)個(gè)頭差不多的人看不見(jiàn)對(duì)方的頭頂。目前人類尚未實(shí)現(xiàn)過(guò)對(duì)太陽(yáng)極區(qū)的正面成像觀測(cè)，Solar　Orbiter雖然偏離了黃道面，但其偏離角度只有二十多度，即便任務(wù)末期計(jì)劃提高到34度，兩者的高度差也不足以看清另一個(gè)的頭頂。

研究表明，太陽(yáng)極區(qū)的磁場(chǎng)和流場(chǎng)在太陽(yáng)活動(dòng)周演化中起著至關(guān)重要的作用。完善這方面的觀測(cè)數(shù)據(jù)，從而完成有關(guān)太陽(yáng)活動(dòng)周起源的“發(fā)電機(jī)模型”的最后一塊觀測(cè)拼圖，有望為這一科學(xué)問(wèn)題的研究帶來(lái)重大突破。

由于這些重大科學(xué)機(jī)遇，國(guó)際空間探測(cè)的下一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)熱點(diǎn)必然是太陽(yáng)極軌探測(cè)。

目前，歐美的空間科學(xué)發(fā)展規(guī)劃都提出了太陽(yáng)極軌探測(cè)的設(shè)想。我國(guó)早在10年前的《月球與深空探測(cè)》規(guī)劃中就提出了開(kāi)展太陽(yáng)極軌探測(cè)的項(xiàng)目建議。目前，我國(guó)在這方面預(yù)研處于和國(guó)際齊平乃至略微領(lǐng)先的地位，再考慮到美歐PSP和Solar　Orbiter剛實(shí)施不久，中國(guó)具備了率先實(shí)施的絕佳機(jī)會(huì)，而項(xiàng)目一旦成功，必將使我國(guó)的空間太陽(yáng)探測(cè)實(shí)現(xiàn)快速超車。同時(shí)，在太陽(yáng)活動(dòng)周起源、高速太陽(yáng)風(fēng)起源等重大科學(xué)問(wèn)題研究中搶占先機(jī)。

關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)探測(cè)器 日地關(guān)系 恒星大氣 空間探測(cè) 行星際