對(duì)地球生命而言，太陽不僅是能量之源，還是一個(gè)巨大的威脅，劇烈的聚變反應(yīng)在時(shí)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(dòng)，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(cè)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(jià)值。事實(shí)上，從20世紀(jì)60年代以來，國(guó)際上有數(shù)十顆太陽探測(cè)相關(guān)衛(wèi)星發(fā)射升空，在這場(chǎng)“群雄逐日”的太陽探測(cè)熱潮中，我國(guó)沒有缺席。2021年和2022年，我國(guó)相繼發(fā)射的“羲和號(hào)”“夸父一號(hào)”，開啟了我國(guó)雙星逐日的空間探日活動(dòng)。

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(duì)其進(jìn)行觀測(cè)，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(cè)衛(wèi)星也被發(fā)射升空，一個(gè)天地協(xié)同的太陽聯(lián)測(cè)體系逐漸成型。全球有哪些重要的探日裝備呢？目前有三個(gè)前所未有的重大設(shè)備先后投入工作。第一個(gè)是觸摸太陽的太陽帕克探針，它會(huì)把一個(gè)探測(cè)器放到太陽大氣內(nèi)，在離太陽表面只有九個(gè)太陽半徑的地方，近距離探測(cè)太陽風(fēng)的來源、日冕加熱的物理機(jī)制和太陽磁場(chǎng)的產(chǎn)生等復(fù)雜過程；第二個(gè)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(gè)是4米量級(jí)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(gè)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(cè)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(hào)”和“夸父一號(hào)”先后發(fā)射升空，實(shí)現(xiàn)了雙星逐日。“羲和號(hào)”專門觀測(cè)太陽光球?qū)雍蜕驅(qū)印?ldquo;夸父一號(hào)”的硬X射線成像觀測(cè)非常成功，在國(guó)際上處于領(lǐng)先位置，對(duì)太陽磁場(chǎng)的觀測(cè)也已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

2024年會(huì)不會(huì)迎來一場(chǎng)太陽觀測(cè)的盛宴

國(guó)際上公認(rèn)最早記錄太陽黑子的是我國(guó)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(guó)才開始用儀器對(duì)太陽黑子的觀測(cè)，就是天文學(xué)家高平子在青島觀象臺(tái)對(duì)太陽黑子的觀測(cè)。

太陽黑子到底是什么？太陽黑子是太陽表面強(qiáng)磁場(chǎng)所在的區(qū)域，與周邊光球比表現(xiàn)為暗黑斑點(diǎn)。一個(gè)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(guó)天文學(xué)家喬治·埃勒里·海耳是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)黑子磁場(chǎng)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(chǎng)。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(chǎng)，而且太陽磁場(chǎng)上面，又有自己的三維結(jié)構(gòu)，所以在這個(gè)意義上，太陽黑子是包含復(fù)雜物理過程的三維的一個(gè)物理實(shí)體。黑子之外，充滿了小尺度磁結(jié)構(gòu)、磁活動(dòng)現(xiàn)象。我們觀測(cè)到的太陽表面小尺度磁場(chǎng)，它尺度非常小，最小的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)只有百公里左右。太陽是非常復(fù)雜的磁活動(dòng)現(xiàn)象，太陽磁場(chǎng)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(dòng)以11年為周期，第25個(gè)太陽活動(dòng)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(shí)太陽爆發(fā)現(xiàn)象也最頻繁。2024年會(huì)不會(huì)迎來一場(chǎng)太陽觀測(cè)的盛宴？

太陽長(zhǎng)期的變化如何影響天氣、氣候，是一個(gè)非常值得探討的問題。我們對(duì)太陽活動(dòng)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(huì)是太強(qiáng)的一個(gè)太陽周，很可能跟24周接近，應(yīng)該是比24周略強(qiáng)的一個(gè)偏弱的太陽周。磁場(chǎng)統(tǒng)計(jì)也顯示，25周的磁場(chǎng)跟21、22、23太陽周相比，還是處于比較弱的狀態(tài)。同時(shí)結(jié)合太陽總輻射的變化、宇宙線數(shù)量的多少，從更長(zhǎng)的周期上來看，25太陽周或24太陽周，跟100年前的太陽活動(dòng)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(huì)煩悶、暴躁，甚至狂怒，發(fā)生強(qiáng)烈的太陽活動(dòng)，俗稱“太陽風(fēng)暴”。1946年有人曾觀測(cè)到一個(gè)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(gè)很值得注意的現(xiàn)象。耀斑會(huì)導(dǎo)致日冕物質(zhì)拋射和地球磁場(chǎng)的變化，日冕物質(zhì)拋射是最大尺度的太陽爆發(fā)活動(dòng)，有時(shí)候太陽的耀斑和日冕物質(zhì)拋射會(huì)引起太陽的海嘯。

日冕物質(zhì)拋射的時(shí)候，有很多小的雪花暴，每一個(gè)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(gè)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(huì)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(gè)衛(wèi)星，都可以看到極光現(xiàn)象。極光是非常美麗的一個(gè)自然現(xiàn)象，也令人感到驚異，它的那種扭曲和移動(dòng)，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(chǎng)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(dòng)還是會(huì)引發(fā)極端空間天氣事件，對(duì)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(tái)上觀測(cè)到了歷史上人類知道的第一個(gè)耀斑事件?？`頓觀測(cè)的時(shí)候，他注意到在黑子當(dāng)中出現(xiàn)兩個(gè)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(gè)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(cè)室的時(shí)候，這個(gè)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(bào)系統(tǒng)被損壞，電報(bào)局里的電報(bào)紙著火，電報(bào)員的手被灼傷，全球范圍內(nèi)出現(xiàn)極光。這個(gè)事件影響很大，18小時(shí)之后就發(fā)現(xiàn)地磁暴，說明這個(gè)日冕物質(zhì)拋射的速度是非?？斓?。

當(dāng)時(shí)大家認(rèn)為，這種事件可能不會(huì)再發(fā)生，或者500年發(fā)生一次，但是很快，另一個(gè)強(qiáng)烈的太陽活動(dòng)和空間災(zāi)害事件的發(fā)生，就打破了這個(gè)猜想。2012年7月23日，又發(fā)生了一個(gè)“卡靈頓級(jí)”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(gè)事件是背離地球而去的，如果這個(gè)事件對(duì)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(guó)的懷柔太陽觀測(cè)站觀測(cè)到了磁場(chǎng)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(gè)小時(shí)，造成上億美元的經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(gè)磁場(chǎng)非常復(fù)雜，南北半球同時(shí)有磁場(chǎng)浮現(xiàn)。這個(gè)事件導(dǎo)致強(qiáng)烈的日冕物質(zhì)拋射，整個(gè)LASCO（大面積日冕儀）的探測(cè)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(gè)衛(wèi)星，GPS和羅蘭導(dǎo)航失效，20余個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)需要干預(yù)才能正常工作，多個(gè)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(chǎng)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(dòng)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(duì)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(dòng)力學(xué)，了解為什么太陽磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，會(huì)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(dòng)，理解它產(chǎn)生的根源，盡可能對(duì)極端空間天氣作出有依據(jù)、有啟發(fā)性、有幫助的預(yù)報(bào)。

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(duì)師生發(fā)現(xiàn)了太陽系外第一個(gè)行星，這一發(fā)現(xiàn)掀起了一場(chǎng)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(gè)，而且可能不是最典型最有代表性的一個(gè)。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(gè)帶叫作主序星帶。恒星物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，每一個(gè)主序恒星在適當(dāng)?shù)木嚯x都可能有一個(gè)生命宜居帶。生命宜居帶要有水，不能太冷，太冷這個(gè)行星會(huì)結(jié)冰，太近的話又會(huì)太炎熱，而地球正好在這個(gè)宜居帶里。隨著恒星質(zhì)量的增大，這個(gè)宜居帶也會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)向外移?；谟袥]有水來討論宜居帶，顯然是不夠的，因?yàn)殡姶怒h(huán)境對(duì)生命的存在也很重要。

還有一個(gè)例子，美國(guó)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(cè)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(gè)是超級(jí)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(chǎng)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(dòng)周的起源究竟是什么？要回答這個(gè)問題，就需要對(duì)太陽的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)研究，但是人類的探測(cè)器目前還從未到過這個(gè)地方，這就是太陽的“南北極”。

在太陽磁活動(dòng)起源的問題上，有一個(gè)很關(guān)鍵的概念，就是太陽發(fā)電機(jī)的理論。這個(gè)理論就是：太陽的極向磁場(chǎng)，沿著南北兩極的極磁場(chǎng)，它如何自發(fā)地轉(zhuǎn)化為活動(dòng)區(qū)的磁場(chǎng)？然后活動(dòng)區(qū)太陽黑子又如何轉(zhuǎn)變?yōu)闃O區(qū)磁場(chǎng)？這是很大的問題，在這個(gè)問題里，極區(qū)的觀測(cè)就變得非常重要。因?yàn)槿祟悘膩頉]對(duì)極區(qū)實(shí)現(xiàn)過成像觀測(cè)，不知道極區(qū)的磁場(chǎng)、流場(chǎng)，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(duì)于這樣一個(gè)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?cè)凇犊茖W(xué)通報(bào)》發(fā)表了一組關(guān)于太陽立體探測(cè)任務(wù)的設(shè)想文章，設(shè)想在日地黃道面上的4個(gè)拉格朗日點(diǎn)，各有一個(gè)飛行器來探測(cè)太陽，一個(gè)是黃道面內(nèi)，然后在極軌有兩個(gè)飛船來探測(cè)太陽的極區(qū)。太陽極軌天文臺(tái)，是把一個(gè)衛(wèi)星放到太陽極軌，它偏離黃道面，垂直于黃道面，在一個(gè)1AU的距離來繞著太陽旋轉(zhuǎn)，目前還沒有國(guó)際上的同行提出類似的計(jì)劃。

我國(guó)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(guó)學(xué)者能夠率先實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽極區(qū)磁場(chǎng)、速度場(chǎng)和輻射的成像觀測(cè)，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(tái)核心的科學(xué)目標(biāo)。

【作者簡(jiǎn)介】汪景琇，太陽物理學(xué)家，中國(guó)科學(xué)院院士，現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資深講席教授、國(guó)家天文臺(tái)研究員，從事太陽磁場(chǎng)和太陽活動(dòng)研究40余年，在太陽磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和演化、太陽活動(dòng)機(jī)理等研究中取得重要原創(chuàng)性成果。2009年獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，2012年獲中國(guó)天文學(xué)會(huì)張鈺哲獎(jiǎng)。