對地球生命而言，太陽不僅是能量之源，還是一個巨大的威脅，劇烈的聚變反應(yīng)在時刻進(jìn)行，能量如驚濤駭浪般持續(xù)向外奔涌，形成日珥、耀斑、日冕等太陽爆發(fā)現(xiàn)象，不僅嚴(yán)重影響人類的太空活動，還有可能造成地球電力系統(tǒng)損壞、通信系統(tǒng)癱瘓等災(zāi)難性事件。因此，觀測和研究太陽不僅具有重要的科學(xué)意義，更有巨大的實(shí)用價值。事實(shí)上，從20世紀(jì)60年代以來，國際上有數(shù)十顆太陽探測相關(guān)衛(wèi)星發(fā)射升空，在這場“群雄逐日”的太陽探測熱潮中，我國沒有缺席。2021年和2022年，我國相繼發(fā)射的“羲和號”“夸父一號”，開啟了我國雙星逐日的空間探日活動。

目前全球有哪些重要的探日裝備

為了摸清太陽的脾氣，人類通過各種方式對其進(jìn)行觀測，除了設(shè)置在地面的太陽望遠(yuǎn)鏡，在航天技術(shù)的加持下，數(shù)十顆太陽觀測衛(wèi)星也被發(fā)射升空，一個天地協(xié)同的太陽聯(lián)測體系逐漸成型。全球有哪些重要的探日裝備呢？目前有三個前所未有的重大設(shè)備先后投入工作。第一個是觸摸太陽的太陽帕克探針，它會把一個探測器放到太陽大氣內(nèi)，在離太陽表面只有九個太陽半徑的地方，近距離探測太陽風(fēng)的來源、日冕加熱的物理機(jī)制和太陽磁場的產(chǎn)生等復(fù)雜過程；第二個是太陽軌道器——Solar Orbiter，它最大能以30多度的傾角掠過太陽的極區(qū)，并且能夠窺視太陽極區(qū)的物理圖像；第三個是4米量級的叫作DKIST的太陽望遠(yuǎn)鏡，它是目前世界上最大的太陽望遠(yuǎn)鏡。

這里著重講一講太陽帕克探針。太陽帕克探針要進(jìn)入到太陽大氣中相當(dāng)于九個太陽半徑的地方，穿過高溫的日冕層進(jìn)入日冕里面，解密太陽風(fēng)和日冕加熱之謎。在太陽帕克探針出現(xiàn)之前，沒有任何探測器真正接近過太陽。太陽帕克探針面臨的最大挑戰(zhàn)，就是要穿越超高溫的日冕層，抵御日冕層中高能粒子的轟擊。為此，科學(xué)家們?yōu)樘柵量颂结槾┥狭艘患诳萍挤罒岫?，外面白色的陶瓷涂層可以反射絕大部分來自太陽的熱量，盾牌里面是兩層碳—碳復(fù)合材料夾著約11厘米厚的碳泡沫，不僅以極輕的重量實(shí)現(xiàn)了高度耐熱，還可以在高溫環(huán)境里保護(hù)精密儀器的正常工作。

目前，“羲和號”和“夸父一號”先后發(fā)射升空，實(shí)現(xiàn)了雙星逐日。“羲和號”專門觀測太陽光球?qū)雍蜕驅(qū)印?ldquo;夸父一號”的硬X射線成像觀測非常成功，在國際上處于領(lǐng)先位置，對太陽磁場的觀測也已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

2024年會不會迎來一場太陽觀測的盛宴

國際上公認(rèn)最早記錄太陽黑子的是我國漢代。公元前28年，《漢書·五行志》中記載：“日出黃，有黑氣大如錢，居日中央。”但直到20世紀(jì)20年代，中國才開始用儀器對太陽黑子的觀測，就是天文學(xué)家高平子在青島觀象臺對太陽黑子的觀測。

太陽黑子到底是什么？太陽黑子是太陽表面強(qiáng)磁場所在的區(qū)域，與周邊光球比表現(xiàn)為暗黑斑點(diǎn)。一個中小規(guī)模的黑子和地球大小差不多。太陽表面溫度高達(dá)5800度，而太陽黑子中心只有4300度左右，然而在這里卻能看到高達(dá)80萬度的高溫拋射現(xiàn)象。直到現(xiàn)在，關(guān)于黑子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相關(guān)物理過程，仍然存在大量未解之謎。

美國天文學(xué)家喬治·埃勒里·海耳是第一個發(fā)現(xiàn)黑子磁場的人，1908年，他基于塞曼效應(yīng)，用物理學(xué)的方法第一次診斷了太陽黑子的本質(zhì)，證明太陽黑子就是強(qiáng)磁場。他還發(fā)現(xiàn)了太陽的22年磁周期現(xiàn)象。

太陽黑子本質(zhì)上是太陽磁場，而且太陽磁場上面，又有自己的三維結(jié)構(gòu)，所以在這個意義上，太陽黑子是包含復(fù)雜物理過程的三維的一個物理實(shí)體。黑子之外，充滿了小尺度磁結(jié)構(gòu)、磁活動現(xiàn)象。我們觀測到的太陽表面小尺度磁場，它尺度非常小，最小的磁場結(jié)構(gòu)只有百公里左右。太陽是非常復(fù)雜的磁活動現(xiàn)象，太陽磁場又使得太陽結(jié)構(gòu)變得繽紛復(fù)雜，甚至產(chǎn)生非常美麗的現(xiàn)象，比如日珥。

太陽活動以11年為周期，第25個太陽活動周期開始于2020年，將持續(xù)到2031年左右。這一周期內(nèi)的峰值預(yù)計(jì)將出現(xiàn)在2024年到2025年，那時太陽爆發(fā)現(xiàn)象也最頻繁。2024年會不會迎來一場太陽觀測的盛宴？

太陽長期的變化如何影響天氣、氣候，是一個非常值得探討的問題。我們對太陽活動進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，根據(jù)黑子數(shù)和耀斑數(shù)顯示，目前正好是在25太陽周的上升段，上升的情況跟24周有點(diǎn)接近，這可能預(yù)示著25太陽周不會是太強(qiáng)的一個太陽周，很可能跟24周接近，應(yīng)該是比24周略強(qiáng)的一個偏弱的太陽周。磁場統(tǒng)計(jì)也顯示，25周的磁場跟21、22、23太陽周相比，還是處于比較弱的狀態(tài)。同時結(jié)合太陽總輻射的變化、宇宙線數(shù)量的多少，從更長的周期上來看，25太陽周或24太陽周，跟100年前的太陽活動周的狀況有點(diǎn)類似。

太陽的表情

太陽常常呈現(xiàn)出一派溫暖、寧靜的狀態(tài)，但是太陽偶爾也會煩悶、暴躁，甚至狂怒，發(fā)生強(qiáng)烈的太陽活動，俗稱“太陽風(fēng)暴”。1946年有人曾觀測到一個大日珥爆發(fā)的情形，日珥爆發(fā)一般比較壯觀也更加復(fù)雜。太陽耀斑也是一個很值得注意的現(xiàn)象。耀斑會導(dǎo)致日冕物質(zhì)拋射和地球磁場的變化，日冕物質(zhì)拋射是最大尺度的太陽爆發(fā)活動，有時候太陽的耀斑和日冕物質(zhì)拋射會引起太陽的海嘯。

日冕物質(zhì)拋射的時候，有很多小的雪花暴，每一個雪花暴都代表一束太陽高能粒子。日冕物質(zhì)拋射跑到行星際之后，它變成了磁云，磁云一直跑到地球所在的位置。磁云是什么？它是扭纏在一起的磁力線，每個磁力線都像掛著念珠一樣，掛著大量的太陽的帶電流體，又被稱為“等離子體”，拋向我們的地球空間，撞擊地球的磁層，引起復(fù)雜的日地物理效應(yīng)。太陽第一次磁能釋放之后，會產(chǎn)生日冕物質(zhì)拋射和磁云，日冕物質(zhì)和磁云拋射撞擊地球磁層頂，把地球磁力線撕裂，太陽的能量被帶到磁尾，磁尾又發(fā)生磁重聯(lián)，把高能粒子帶到地球的兩極，產(chǎn)生了極光。極光不止出現(xiàn)在地球的極區(qū)，在土星、木星的極區(qū)，甚至于木星的幾個衛(wèi)星，都可以看到極光現(xiàn)象。極光是非常美麗的一個自然現(xiàn)象，也令人感到驚異，它的那種扭曲和移動，都代表磁力線的結(jié)構(gòu)和變化。

極端空間天氣

由于地球磁場的保護(hù)，極光并沒有給人類帶來實(shí)質(zhì)性的傷害，反而讓人驚嘆于它的絢麗。但最強(qiáng)烈的太陽活動還是會引發(fā)極端空間天氣事件，對人類生存的環(huán)境和高科技系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞。

1859年9月1日，天文愛好者卡靈頓在自家天文臺上觀測到了歷史上人類知道的第一個耀斑事件。卡靈頓觀測的時候，他注意到在黑子當(dāng)中出現(xiàn)兩個半月形的白斑，非常刺眼，他感到恐懼，不知道怎么辦，他馬上跑到外邊想找人來見證這樣一個罕見的現(xiàn)象，遺憾的是他出來之后沒有找到任何人，一分鐘后他回到觀測室的時候，這個白斑已經(jīng)逐漸消失，這就是“卡靈頓事件”。“卡靈頓事件”導(dǎo)致全球的電報系統(tǒng)被損壞，電報局里的電報紙著火，電報員的手被灼傷，全球范圍內(nèi)出現(xiàn)極光。這個事件影響很大，18小時之后就發(fā)現(xiàn)地磁暴，說明這個日冕物質(zhì)拋射的速度是非?？斓?。

當(dāng)時大家認(rèn)為，這種事件可能不會再發(fā)生，或者500年發(fā)生一次，但是很快，另一個強(qiáng)烈的太陽活動和空間災(zāi)害事件的發(fā)生，就打破了這個猜想。2012年7月23日，又發(fā)生了一個“卡靈頓級”的太陽爆發(fā)事件，為什么我們沒有看到這樣強(qiáng)的影響呢？因?yàn)檫@個事件是背離地球而去的，如果這個事件對著地球來的話，那將是災(zāi)難性的。

一百多年來最大的一次太陽爆發(fā)是在1989年3月10日發(fā)生的，正好我國的懷柔太陽觀測站觀測到了磁場的結(jié)構(gòu)和變化，以及爆發(fā)的情況和物質(zhì)拋射情況。這次太陽爆發(fā)導(dǎo)致加拿大魁北克的變壓器被毀壞，感生電流超載，損失電力9450兆瓦，600萬人在黑暗中生活9個小時，造成上億美元的經(jīng)濟(jì)社會損失。第二大的太陽爆發(fā)是2003年10月末至11月初的“萬圣節(jié)”事件。這個磁場非常復(fù)雜，南北半球同時有磁場浮現(xiàn)。這個事件導(dǎo)致強(qiáng)烈的日冕物質(zhì)拋射，整個LASCO（大面積日冕儀）的探測系統(tǒng)都被高能粒子轟擊。最后造成民航通信中斷、短波通信中斷，瑞典的電網(wǎng)損壞、日本丟失一個衛(wèi)星，GPS和羅蘭導(dǎo)航失效，20余個衛(wèi)星系統(tǒng)需要干預(yù)才能正常工作，多個衛(wèi)星的科學(xué)資料損壞。

過去數(shù)十年的研究顯示，太陽磁場是太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射，甚至是太陽風(fēng)粒子加速、日冕加熱所有這些活動的能量來源。同樣的物理過程可能發(fā)生在其他的恒星，類太陽恒星和更廣泛的天體對象?，F(xiàn)代天體物理學(xué)的研究目的是了解從太陽內(nèi)部到太陽日球，太陽的結(jié)構(gòu)、演化和它的動力學(xué)，了解為什么太陽磁場會發(fā)生變化，會導(dǎo)致這樣復(fù)雜的爆發(fā)現(xiàn)象。極端的空間天氣，雖然是小概率事件，但是它的影響太大了，科學(xué)家不能不關(guān)心。所以，我們還是要關(guān)注太陽和太陽活動，理解它產(chǎn)生的根源，盡可能對極端空間天氣作出有依據(jù)、有啟發(fā)性、有幫助的預(yù)報。

太陽系外的宇宙“鄰居”

自從46億年前誕生的那一刻起，太陽就不停地散發(fā)光與熱，不僅塑造了太陽系每一顆行星的“性格”，還在地球上孕育出了豐富多彩的生命。在茫茫宇宙中，太陽系是否獨(dú)一無二？地球之外還存在其他智慧生命嗎？

1995年10月，馬約爾和奎洛茲這對師生發(fā)現(xiàn)了太陽系外第一個行星，這一發(fā)現(xiàn)掀起了一場革命，在銀河系中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了超過5000顆的系外行星系統(tǒng)。太陽系只不過是銀河系里很普通的一個，而且可能不是最典型最有代表性的一個。這些奇異的未知世界，或許有一天讓我們能夠回答，人類是否孤獨(dú)？我們的鄰居在哪里？

赫茨普龍—羅素圖是表示恒星溫度或顏色與光度之間關(guān)系的圖，它的橫軸是恒星的光譜型（顏色），縱軸是恒星的質(zhì)量，大多數(shù)恒星都在中間帶上，這個帶叫作主序星帶。恒星物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，每一個主序恒星在適當(dāng)?shù)木嚯x都可能有一個生命宜居帶。生命宜居帶要有水，不能太冷，太冷這個行星會結(jié)冰，太近的話又會太炎熱，而地球正好在這個宜居帶里。隨著恒星質(zhì)量的增大，這個宜居帶也會一點(diǎn)點(diǎn)向外移。基于有沒有水來討論宜居帶，顯然是不夠的，因?yàn)殡姶怒h(huán)境對生命的存在也很重要。

還有一個例子，美國兩名高中生卡蒂克·平萊和賈斯敏·萊特，他們基于TESS（凌星系外行星巡天望遠(yuǎn)鏡）的觀測數(shù)據(jù)，在老師的指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)了TOI-1233的4顆行星，這4顆行星都是內(nèi)行星，有的還在宜居帶上，有一個是超級地球，證實(shí)了這些系外行星的存在。

系外行星的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了天文學(xué)一場新的革命，讓理解太陽，以及它的行星系統(tǒng)，它周邊的世界，它的結(jié)構(gòu)演化，它的生命宜居性，成為當(dāng)代天文學(xué)和天體物理學(xué)最重大的課題。

太陽的“南北極”

太陽磁活動周的起源究竟是什么？要回答這個問題，就需要對太陽的一個關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行觀測研究，但是人類的探測器目前還從未到過這個地方，這就是太陽的“南北極”。

在太陽磁活動起源的問題上，有一個很關(guān)鍵的概念，就是太陽發(fā)電機(jī)的理論。這個理論就是：太陽的極向磁場，沿著南北兩極的極磁場，它如何自發(fā)地轉(zhuǎn)化為活動區(qū)的磁場？然后活動區(qū)太陽黑子又如何轉(zhuǎn)變?yōu)闃O區(qū)磁場？這是很大的問題，在這個問題里，極區(qū)的觀測就變得非常重要。因?yàn)槿祟悘膩頉]對極區(qū)實(shí)現(xiàn)過成像觀測，不知道極區(qū)的磁場、流場，極區(qū)自轉(zhuǎn)的速率怎么樣，極區(qū)有沒有經(jīng)圈環(huán)流，這些我們都不知道，所以對于這樣一個素未謀面的區(qū)域，它就限制了太陽物理學(xué)的發(fā)展。正因?yàn)檫@樣，學(xué)術(shù)界一直在努力地做這件事。2022年，我們在《科學(xué)通報》發(fā)表了一組關(guān)于太陽立體探測任務(wù)的設(shè)想文章，設(shè)想在日地黃道面上的4個拉格朗日點(diǎn)，各有一個飛行器來探測太陽，一個是黃道面內(nèi)，然后在極軌有兩個飛船來探測太陽的極區(qū)。太陽極軌天文臺，是把一個衛(wèi)星放到太陽極軌，它偏離黃道面，垂直于黃道面，在一個1AU的距離來繞著太陽旋轉(zhuǎn)，目前還沒有國際上的同行提出類似的計(jì)劃。

我國學(xué)者曾經(jīng)創(chuàng)造了古代天文學(xué)的輝煌，應(yīng)該有責(zé)任也有能力攀登現(xiàn)代科學(xué)的高峰，希望我國學(xué)者能夠率先實(shí)現(xiàn)對太陽極區(qū)磁場、速度場和輻射的成像觀測，揭示太陽周期、高速太陽風(fēng)的起源，創(chuàng)建全日球的輻射磁流體力學(xué)模型，這就是極軌天文臺核心的科學(xué)目標(biāo)。

【作者簡介】汪景琇，太陽物理學(xué)家，中國科學(xué)院院士，現(xiàn)任中國科學(xué)院大學(xué)資深講席教授、國家天文臺研究員，從事太陽磁場和太陽活動研究40余年，在太陽磁場結(jié)構(gòu)和演化、太陽活動機(jī)理等研究中取得重要原創(chuàng)性成果。2009年獲國家自然科學(xué)獎二等獎，2012年獲中國天文學(xué)會張鈺哲獎。