恒星如何演化？星系怎樣形成？宇宙有沒有邊界……隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)逐步拓展，這些名詞正日漸為大眾所熟知。而“羲和號(hào)”太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星的成功發(fā)射卻讓人們認(rèn)識(shí)到，其實(shí)我們對(duì)太陽系的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。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？科學(xué)家們計(jì)劃怎樣探索太陽？
太陽的三大未解之謎
太陽是距離地球最近的恒星，為地球生物提供賴以生存發(fā)展的光和熱。同時(shí)，太陽對(duì)地球有巨大影響，其總輻射變化(緩慢、時(shí)間尺度大)調(diào)控地球長期氣候變化，太陽耀斑等劇烈活動(dòng)(劇烈、快速)導(dǎo)致的太陽風(fēng)暴則可能對(duì)航空航天、導(dǎo)航通訊等高技術(shù)系統(tǒng)及遠(yuǎn)距離輸油、輸電、輸氣等系統(tǒng)造成災(zāi)害性后果。
關(guān)于太陽還有很多重大的未解之謎，其中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(huì)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(duì)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。不僅如此，太陽黑子的活動(dòng)對(duì)地球磁場和無線通信也有很大影響。1859年發(fā)生的“卡林頓”太陽耀斑事件，導(dǎo)致了劇烈的地磁擾動(dòng)并嚴(yán)重破壞了當(dāng)時(shí)人類社會(huì)的高技術(shù)系統(tǒng)——全球電報(bào)網(wǎng)絡(luò)，使得人類第一次認(rèn)識(shí)到太陽活動(dòng)對(duì)地球空間環(huán)境的影響。
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？太陽磁場主導(dǎo)的太陽活動(dòng)為什么會(huì)有周期性的變化？這些問題被稱為太陽活動(dòng)周期起源之謎，這是太陽這個(gè)高度非線性和復(fù)雜系統(tǒng)的本質(zhì)問題，目前科學(xué)界仍然不能給出明確解釋，被《科學(xué)》雜志列為當(dāng)代人類社會(huì)面臨的125個(gè)最前沿科學(xué)問題之一。
第二個(gè)問題：日冕為什么會(huì)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(其溫度約1500萬℃)、輻射區(qū)(約700萬℃)、對(duì)流區(qū)(約200萬℃)、光球(數(shù)千℃)、色球(數(shù)千至數(shù)萬℃)、日冕(百萬℃)�？梢钥吹剑柕臏囟冉Y(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，被《科學(xué)》雜志稱為天體物理學(xué)中“八大未解天文之謎”之一。
第三個(gè)問題：如何對(duì)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)？
這是保障近鄰空間的高技術(shù)設(shè)備和深空探測順利進(jìn)行的至關(guān)重要的應(yīng)用需求。1989年3月，狂暴的日冕物質(zhì)拋射引發(fā)了極強(qiáng)的地磁爆，導(dǎo)致加拿大魁北克省大范圍停電事件。在這次磁暴中，魁北克省整個(gè)電網(wǎng)在90秒內(nèi)全面癱瘓，造成直接經(jīng)濟(jì)損失約5億美元。2003年10月的重大太陽活動(dòng)事件，造成全球范圍短波通訊中斷，超視距雷達(dá)、民航通訊中斷，瑞典電網(wǎng)中斷1小時(shí)，GPS導(dǎo)航出現(xiàn)故障，多顆科學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)丟失。美國國家航空航天局(NASA)《太陽物理以及空間物理發(fā)展報(bào)告》中也明確指出，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(huì)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，也是各個(gè)科技大國的迫切需求。
在上述三大科學(xué)問題中，磁場都起著至關(guān)重要的作用。事實(shí)上，對(duì)于太陽和恒星磁場自身性質(zhì)的認(rèn)識(shí)也是一個(gè)重要的科學(xué)問題。但是受到目前的觀測能力、技術(shù)手段等局限，人類對(duì)太陽磁場的了解還不夠深入。這就牽引出了天體物理的另一個(gè)基本問題：恒星大氣中的纖維化輻射磁對(duì)流過程。
除了上述科學(xué)問題，了解太陽還有很多重要用途。例如，在宇宙中尋找人類的另一個(gè)棲息地——宜居行星，并非“有水”“有大氣”那么簡單，其中一個(gè)重要方面就是需要確定宿主恒星對(duì)宜居行星的空間天氣影響。而要開展這些研究，將“太陽作為一個(gè)恒星的整體空間天氣行為”研究就顯得尤為重要，它是系外行星空間天氣宜居性研究的基礎(chǔ)�！安蛔R(shí)廬山真面目，只緣身在此山中”，目前，這方面的研究還亟待加強(qiáng)。
太陽探測的國際競賽
無論對(duì)于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，還是國家安全，太陽探測都是如此重要，已經(jīng)成為各國天文學(xué)界、空間物理學(xué)界等領(lǐng)域的競爭焦點(diǎn)。
相較于天文學(xué)其他領(lǐng)域，太陽觀測的特點(diǎn)具體可以簡述為“三高一精加成像”，也就是高時(shí)間分辨率、高空間分辨率、高光譜分辨率、精確的偏振(磁場)測量、成像觀測，當(dāng)然天文學(xué)其他領(lǐng)域的觀測也同樣強(qiáng)調(diào)這些指標(biāo)，不過那些指標(biāo)往往比太陽觀測追求的指標(biāo)有數(shù)量級(jí)、甚至很多個(gè)數(shù)量級(jí)的差別。太陽物理研究也正在和其他天文學(xué)科進(jìn)行廣泛和深入的交叉。例如將太陽發(fā)電機(jī)模型的概念引入到恒星、星系發(fā)電機(jī)過程用于解釋恒星和星系的磁場起源和演化；用太陽耀斑標(biāo)準(zhǔn)模型和日冕物質(zhì)拋射的概念來解釋恒星耀發(fā)和星冕物質(zhì)拋射；將日地相互作用模型應(yīng)用到理解系外行星大氣中生命信號(hào)探索。太陽物理研究是能夠從物理學(xué)的基本原理和方程出發(fā)，從頭構(gòu)建描述等離子體中三維輻射磁流體模型的研究學(xué)科。
太陽觀測永遠(yuǎn)都在追求高時(shí)間分辨率來看清演化的詳細(xì)過程，追求大口徑以提高分辨率來看清演化的空間細(xì)節(jié)，追求高光譜分辨率以探尋更細(xì)致的太陽大氣輻射過程，追求高偏振精度以獲得更精確的太陽磁場測量結(jié)果。
為了達(dá)到這樣的目的，各國科研人員都使出了渾身解數(shù)。
在地球上，地面太陽觀測具有升級(jí)靈活、成本較低、可持續(xù)性強(qiáng)的特點(diǎn)。進(jìn)入21世紀(jì)，國際上已經(jīng)有數(shù)臺(tái)一米級(jí)的太陽光學(xué)望遠(yuǎn)鏡投入運(yùn)行，包括瑞典1米SST、我國1米NVST、德國1.5米GREGOR等。目前國際上最先進(jìn)的地基太陽望遠(yuǎn)鏡是美國的4米DKIST。它已經(jīng)開始試運(yùn)行，預(yù)計(jì)將是未來10年國際最重要的太陽光學(xué)觀測設(shè)備。我國即將投入試觀測的1米中紅外望遠(yuǎn)鏡AIMS將在磁場測量精度方面居于國際領(lǐng)先水平，相關(guān)科學(xué)成果同樣值得期待。未來規(guī)劃方面，可以媲美或者超越DKIST的項(xiàng)目以我國的8米CGST、歐洲4米EST為代表，但均處于推進(jìn)立項(xiàng)階段。
但地球大氣會(huì)對(duì)天體輻射有吸收作用，甚至導(dǎo)致很多波段在地面無法開展觀測；大氣湍流會(huì)限制觀測分辨率及降低測量精度；晝夜交替導(dǎo)致觀測不連續(xù)……為了彌補(bǔ)這些短板，空間天文觀測已經(jīng)成為了未來競爭的主舞臺(tái)。
空間觀測對(duì)天文學(xué)而言有無與倫比的優(yōu)越性——連續(xù)、穩(wěn)定、全波段、分辨率和觀測精度不受大氣影響等�？臻g太陽探測伴隨著人造衛(wèi)星上天而興起，到20世紀(jì)90年代進(jìn)入黃金時(shí)期，多個(gè)重量級(jí)太陽衛(wèi)星發(fā)射，取得諸多重要科學(xué)成果。近年來，隨著帕克太陽探測器PSP首次實(shí)現(xiàn)深入太陽大氣層探測、太陽軌道器Solar Orbiter實(shí)現(xiàn)偏離黃道面的成像觀測，太陽觀測研究將進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。
這里，我們想著重介紹中國的太陽物理研究。日前成功發(fā)射的太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號(hào)”，就是我國太陽探測的重要成果之一。改革開放四十多年來，我國太陽物理研究水平已經(jīng)從跟蹤發(fā)展到了并行、局部先進(jìn)的地步。20世紀(jì)80年代開始，以我國科學(xué)家自主研制的具有國際先進(jìn)水平的太陽磁場望遠(yuǎn)鏡為引領(lǐng)，并配合其他一些各具特色的觀測設(shè)備，中國的太陽物理逐步躋身國際先進(jìn)行列，綜合研究實(shí)力位列前茅。與其他國家相比我國太陽物理研究尤其是地基實(shí)測太陽觀測研究形成了獨(dú)立自主的觀測能力，較少有“卡脖子”技術(shù)，甚至能向國外同領(lǐng)域輸出先進(jìn)的太陽觀測設(shè)備和儀器。
但也要承認(rèn)，與國際空間太陽探測的最高水平相比，我國的空間太陽探測與國際差距巨大——雖然我國科學(xué)家曾相繼提出了觀測太陽的“天文衛(wèi)星1號(hào)”計(jì)劃、“空間太陽望遠(yuǎn)鏡”計(jì)劃、在日地拉格朗日L1點(diǎn)對(duì)太陽進(jìn)行綜合探測的“夸父”計(jì)劃，但這些計(jì)劃終因各種原因未能實(shí)施。
但我們已經(jīng)開始追趕的腳步——我國的風(fēng)云氣象衛(wèi)星已發(fā)布了中國第一次的太陽極紫外觀測圖像，借助“雙超”高技術(shù)衛(wèi)星平臺(tái)搭載太陽Hα望遠(yuǎn)鏡的“羲和號(hào)”已經(jīng)成功升空，這些事件標(biāo)志著我國開始了追趕國際先進(jìn)行列的歷程。2017年，中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)正式啟動(dòng)了“先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)”衛(wèi)星工程ASO-S項(xiàng)目。目前，ASO-S項(xiàng)目已經(jīng)轉(zhuǎn)入正樣研制階段，將于2022年發(fā)射。
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和Solar Orbiter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(duì)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(duì)方的頭頂。目前人類尚未實(shí)現(xiàn)過對(duì)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。同時(shí)，起源于極區(qū)的高速太陽風(fēng)，是構(gòu)成日地空間環(huán)境聯(lián)系的核心要素，目前人類對(duì)其起源機(jī)制和過程知之甚少。極區(qū)探測同樣可為太陽活動(dòng)的日地物理傳播過程和行星際效應(yīng)方面的研究帶來巨大進(jìn)展。
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(huì)，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)。
國際空間太陽探測的另一個(gè)競爭熱點(diǎn)是針對(duì)太陽活動(dòng)的日地物理因果鏈監(jiān)測。在黃道面(如能聯(lián)合太陽極軌觀測更佳)安放多顆衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽-地球空間的全方位立體探測，力爭理解日地空間這個(gè)超級(jí)復(fù)雜系統(tǒng)的行為和機(jī)理，一方面可以滿足國家在日地空間環(huán)境監(jiān)測預(yù)報(bào)方面的戰(zhàn)略需求，另一方面為系外行星空間天氣宜居性的研究提供觀測和理論基礎(chǔ)。我國也已經(jīng)啟動(dòng)了與這方面有關(guān)的多個(gè)研究計(jì)劃，處于國際競爭的第一集團(tuán)，同樣能為重大科學(xué)問題研究帶來突破性進(jìn)展。
至于太陽物理中有關(guān)太陽磁場本身性質(zhì)、日冕加熱等科學(xué)問題，相較于前述幾個(gè)方面，屬于更基礎(chǔ)的科學(xué)問題。太陽磁場內(nèi)稟性質(zhì)研究，其實(shí)是太陽磁場測量歷史中的一個(gè)世紀(jì)難題，攻克這個(gè)難題需要實(shí)施空間大口徑太陽光學(xué)望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃。而日冕加熱問題，則需在此基礎(chǔ)上發(fā)展新的觀測理論和方法，比如突破日冕磁場測量的技術(shù)瓶頸。我國已在這方面開展一些新嘗試，有可能帶來一些驚喜。
得益于國力的大幅度提升，中國已經(jīng)具備了在重大科學(xué)問題探索上投入的經(jīng)濟(jì)實(shí)力；而依靠國家探月和深空探測、載人航天等帶來的硬實(shí)力提升，我國也已經(jīng)具備了實(shí)施重大太陽探測任務(wù)的技術(shù)實(shí)力。時(shí)不我待，期待中國的太陽觀測研究盡早步入世界之巔。
(作者：鄧元勇 楊尚斌，分別系中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員、副研究員)
