逐日未來時(shí)

探測器陸續(xù)升空，我國步入“探日”時(shí)代

從古至今，太陽引發(fā)了人類太多思考，我們對這顆耀眼的恒星充滿好奇：它為什么會發(fā)光？是永恒存在的嗎？結(jié)構(gòu)是什么？會對地球造成哪些影響？為了回答這些問題，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)射了各種探測器，試圖揭開太陽的神秘面紗。

10月14日，我國首顆太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號”成功發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了我國太陽探測零的突破，標(biāo)志著我國太空探測正式步入“探日”時(shí)代。

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

齊魯晚報(bào)·齊魯壹點(diǎn)

記者 于梅君

“羲和號”成功發(fā)射

我國步入探日時(shí)代

“太陽對地球演化和人類文明發(fā)展的作用不可或缺，同時(shí)，太陽對地球的影響也無所不在，主要體現(xiàn)在太陽爆發(fā)產(chǎn)生大量帶電高能粒子，對地球電磁環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，其中尤以太陽黑子、耀斑和日冕物質(zhì)拋射對地球電磁環(huán)境影響最為顯著。”國家航天局對地觀測與數(shù)據(jù)中心主任、高分辨率對地觀測重大專項(xiàng)工程總設(shè)計(jì)師趙堅(jiān)介紹，太陽活動(dòng)周期約11年，2021年至2022年是人類有記錄以來第25個(gè)太陽活動(dòng)周期的開始，全世界又進(jìn)入太陽研究新的高峰期。

“探測和研究太陽活動(dòng)，提出應(yīng)對措施，可以降低或規(guī)避對地球的不利影響。我國作為航天大國，及時(shí)開展太陽探測活動(dòng)，十分必要，不能缺席?！壁w堅(jiān)說。

此次發(fā)射的“羲和號”衛(wèi)星全稱是太陽Hα光譜探測與雙超平臺科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，主要科學(xué)載荷為太陽空間望遠(yuǎn)鏡。

“羲和號”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度的太陽同步軌道，該軌道將經(jīng)過地球的南北極，能24小時(shí)連續(xù)對太陽進(jìn)行觀測?！棒撕吞枴毙l(wèi)星實(shí)現(xiàn)了國際首次太陽Hα波段光譜成像的空間探測，將填補(bǔ)太陽爆發(fā)源區(qū)高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)的空白。

此外，“羲和號”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)星平臺技術(shù)。與傳統(tǒng)衛(wèi)星平臺相比，“羲和號”衛(wèi)星平臺的指向精度、姿態(tài)穩(wěn)定度均提高了2個(gè)數(shù)量級?！棒撕吞枴备咝阅芗夹g(shù)衛(wèi)星平臺在軌試驗(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，將大幅提升我國空間觀測技術(shù)水平。

“夸父”明年發(fā)射

未來我國將立體探日

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

2006年10月美國發(fā)射世界第一對孿生太陽觀測衛(wèi)星——日地關(guān)系觀測平臺，對太陽黑子爆發(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”太陽探測衛(wèi)星，探測太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)及太陽活動(dòng)對地球氣候、大氣層及生物圈的影響；2018年美國“帕克”太陽探測器發(fā)射升空，近距離對太陽結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測。

我國目前已制定兩個(gè)太陽探測計(jì)劃，“羲和號”實(shí)現(xiàn)了我國太陽探測破冰之旅，“夸父”計(jì)劃則是研制發(fā)射先進(jìn)天基太陽天文臺衛(wèi)星，揭示太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質(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，我國正在論證后續(xù)太陽探測發(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、大傾角太陽極區(qū)探測和太陽抵近觀測“三步走”進(jìn)行實(shí)施，進(jìn)一步了解太陽的構(gòu)造，確定太陽活動(dòng)的三維結(jié)構(gòu)。

根據(jù)設(shè)想，我國將在2035年前后，通過兩次發(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(地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道平面)、太陽極區(qū)的全方位立體探測體系，實(shí)現(xiàn)對太陽全球和日地空間的立體探測。

太陽的三大

未解之謎

關(guān)于太陽還有很多未解之謎，最主要的有三大科學(xué)問題。

第一個(gè)問題：太陽活動(dòng)為什么會有周期性？太陽活動(dòng)現(xiàn)象的原動(dòng)力來自太陽上的磁場，其強(qiáng)磁場結(jié)構(gòu)的表征是太陽黑子，也是太陽光球上的相對低溫區(qū)域。太陽黑子有著11年的周期，其長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)，太陽活動(dòng)顯著弱于后續(xù)年代的平均水平。

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

第二個(gè)問題：日冕為什么那么熱？和地球一樣，太陽也可從內(nèi)到外分成很多層次，分別為日核(溫度約1500萬℃)、輻射區(qū)(約700萬℃)、對流區(qū)(約200萬℃)、光球(數(shù)千℃)、色球(數(shù)千至數(shù)萬℃)、日冕(百萬℃)?？梢钥吹?，太陽的溫度結(jié)構(gòu)和地球越往外溫度越低明顯不同，太陽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)問題：如何對太陽活動(dòng)的日地物理傳播過程和行星際效應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測和預(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。太陽探測主要目標(biāo)是為了更好地理解日地系統(tǒng)、預(yù)測空間環(huán)境變化及其產(chǎn)生的社會影響。因此，描繪太陽活動(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)問題。

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

太陽探測的

未來競爭焦點(diǎn)

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

無論天基還是地基觀測，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，我們對太陽極區(qū)的觀測非常困難。這種困難相當(dāng)于兩個(gè)個(gè)頭差不多的人看不見對方的頭頂。目前人類尚未實(shí)現(xiàn)過對太陽極區(qū)的正面成像觀測，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，太陽極區(qū)的磁場和流場在太陽活動(dòng)周演化中起著至關(guān)重要的作用。完善這方面的觀測數(shù)據(jù)，從而完成有關(guān)太陽活動(dòng)周起源的“發(fā)電機(jī)模型”的最后一塊觀測拼圖，有望為這一科學(xué)問題的研究帶來重大突破。

由于這些重大科學(xué)機(jī)遇，國際空間探測的下一個(gè)競爭熱點(diǎn)必然是太陽極軌探測。

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

關(guān)鍵詞： 太陽探測器 日地關(guān)系 恒星大氣 空間探測 行星際