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逐日未来时

2021年10月21日来源:光明日报

恒星如何演化?星系怎样形成?宇宙有没有边界……随着科学技术的发展,人们对宇宙的认识逐步拓展,这些名词正日渐为大众所熟知。而“羲和号”太阳探测科学技术试验卫星的成功发射却让人们认识到,其实我们对太阳系的了解还远远不够。太阳这个与人类存续息息相关的恒星,还有哪些未解之谜?科学家们计划怎样探索太阳?

太阳的三大未解之谜

太阳是距离地球最近的恒星,为地球生物提供赖以生存发展的光和热。同时,太阳对地球有巨大影响,其总辐射变化(缓慢、时间尺度大)调控地球长期气候变化,太阳耀斑等剧烈活动(剧烈、快速)导致的太阳风暴则可能对航空航天、导航通讯等高技术系统及远距离输油、输电、输气等系统造成灾害性后果。

关于太阳还有很多重大的未解之谜,其中最主要的有三大科学问题。

第一个问题:太阳活动为什么会有周期性?

太阳活动现象的原动力来自太阳上的磁场,其强磁场结构的表征是太阳黑子,也是太阳光球上的相对低温区域。太阳黑子有着11年的周期,其长期变化和地球气候密切相关,例如气候学上的小冰河时期(约1300年—1850年间),太阳活动显著弱于后续年代的平均水平。不仅如此,太阳黑子的活动对地球磁场和无线通信也有很大影响。1859年发生的“卡林顿”太阳耀斑事件,导致了剧烈的地磁扰动并严重破坏了当时人类社会的高技术系统——全球电报网络,使得人类第一次认识到太阳活动对地球空间环境的影响。

1908年,美国天文学家海耳发现太阳黑子是太阳上的强磁场,第一次证实了宇宙天体中磁场的存在,也揭示了太阳活动源自太阳磁场。然而,太阳磁场是如何产生的?太阳磁场主导的太阳活动为什么会有周期性的变化?这些问题被称为太阳活动周期起源之谜,这是太阳这个高度非线性和复杂系统的本质问题,目前科学界仍然不能给出明确解释,被《科学》杂志列为当代人类社会面临的125个最前沿科学问题之一。

第二个问题:日冕为什么会那么热?

和地球一样,太阳也可从内到外分成很多层次,分别为日核(其温度约1500万℃)、辐射区(约700万℃)、对流区(约200万℃)、光球(数千℃)、色球(数千至数万℃)、日冕(百万℃)。可以看到,太阳的温度结构和地球越往外温度越低明显不同,太阳大气最外层的日冕呈现反常的高温状态,这违背了热力学第二定律,如何解释日冕的加热机制是天体物理的重大科学难题,被《科学》杂志称为天体物理学中“八大未解天文之谜”之一。

第三个问题:如何对太阳活动的日地物理传播过程和行星际效应进行实时观测和预报?

这是保障近邻空间的高技术设备和深空探测顺利进行的至关重要的应用需求。1989年3月,狂暴的日冕物质抛射引发了极强的地磁爆,导致加拿大魁北克省大范围停电事件。在这次磁暴中,魁北克省整个电网在90秒内全面瘫痪,造成直接经济损失约5亿美元。2003年10月的重大太阳活动事件,造成全球范围短波通讯中断,超视距雷达、民航通讯中断,瑞典电网中断1小时,GPS导航出现故障,多颗科学卫星数据丢失。美国国家航空航天局(NASA)《太阳物理以及空间物理发展报告》中也明确指出,太阳探测主要目标是为了更好地理解日地系统、预测空间环境变化及其产生的社会影响。因此,描绘太阳活动在日地空间传播和影响的完整物理图像,是当代日地物理最前沿的科学问题,也是各个科技大国的迫切需求。

在上述三大科学问题中,磁场都起着至关重要的作用。事实上,对于太阳和恒星磁场自身性质的认识也是一个重要的科学问题。但是受到目前的观测能力、技术手段等局限,人类对太阳磁场的了解还不够深入。这就牵引出了天体物理的另一个基本问题:恒星大气中的纤维化辐射磁对流过程。

除了上述科学问题,了解太阳还有很多重要用途。例如,在宇宙中寻找人类的另一个栖息地——宜居行星,并非“有水”“有大气”那么简单,其中一个重要方面就是需要确定宿主恒星对宜居行星的空间天气影响。而要开展这些研究,将“太阳作为一个恒星的整体空间天气行为”研究就显得尤为重要,它是系外行星空间天气宜居性研究的基础。“不识庐山真面目,只缘身在此山中”,目前,这方面的研究还亟待加强。

太阳探测的国际竞赛

无论对于科学技术的发展,还是国家安全,太阳探测都是如此重要,已经成为各国天文学界、空间物理学界等领域的竞争焦点。

相较于天文学其他领域,太阳观测的特点具体可以简述为“三高一精加成像”,也就是高时间分辨率、高空间分辨率、高光谱分辨率、精确的偏振(磁场)测量、成像观测,当然天文学其他领域的观测也同样强调这些指标,不过那些指标往往比太阳观测追求的指标有数量级、甚至很多个数量级的差别。太阳物理研究也正在和其他天文学科进行广泛和深入的交叉。例如将太阳发电机模型的概念引入到恒星、星系发电机过程用于解释恒星和星系的磁场起源和演化;用太阳耀斑标准模型和日冕物质抛射的概念来解释恒星耀发和星冕物质抛射;将日地相互作用模型应用到理解系外行星大气中生命信号探索。太阳物理研究是能够从物理学的基本原理和方程出发,从头构建描述等离子体中三维辐射磁流体模型的研究学科。

太阳观测永远都在追求高时间分辨率来看清演化的详细过程,追求大口径以提高分辨率来看清演化的空间细节,追求高光谱分辨率以探寻更细致的太阳大气辐射过程,追求高偏振精度以获得更精确的太阳磁场测量结果。

为了达到这样的目的,各国科研人员都使出了浑身解数。

在地球上,地面太阳观测具有升级灵活、成本较低、可持续性强的特点。进入21世纪,国际上已经有数台一米级的太阳光学望远镜投入运行,包括瑞典1米SST、我国1米NVST、德国1.5米GREGOR等。目前国际上最先进的地基太阳望远镜是美国的4米DKIST。它已经开始试运行,预计将是未来10年国际最重要的太阳光学观测设备。我国即将投入试观测的1米中红外望远镜AIMS将在磁场测量精度方面居于国际领先水平,相关科学成果同样值得期待。未来规划方面,可以媲美或者超越DKIST的项目以我国的8米CGST、欧洲4米EST为代表,但均处于推进立项阶段。

但地球大气会对天体辐射有吸收作用,甚至导致很多波段在地面无法开展观测;大气湍流会限制观测分辨率及降低测量精度;昼夜交替导致观测不连续……为了弥补这些短板,空间天文观测已经成为了未来竞争的主舞台。

空间观测对天文学而言有无与伦比的优越性——连续、稳定、全波段、分辨率和观测精度不受大气影响等。空间太阳探测伴随着人造卫星上天而兴起,到20世纪90年代进入黄金时期,多个重量级太阳卫星发射,取得诸多重要科学成果。近年来,随着帕克太阳探测器PSP首次实现深入太阳大气层探测、太阳轨道器SolarOrbiter实现偏离黄道面的成像观测,太阳观测研究将进入一个新的发展时期。

这里,我们想着重介绍中国的太阳物理研究。日前成功发射的太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”,就是我国太阳探测的重要成果之一。改革开放四十多年来,我国太阳物理研究水平已经从跟踪发展到了并行、局部先进的地步。20世纪80年代开始,以我国科学家自主研制的具有国际先进水平的太阳磁场望远镜为引领,并配合其他一些各具特色的观测设备,中国的太阳物理逐步跻身国际先进行列,综合研究实力位列前茅。与其他国家相比我国太阳物理研究尤其是地基实测太阳观测研究形成了独立自主的观测能力,较少有“卡脖子”技术,甚至能向国外同领域输出先进的太阳观测设备和仪器。

但也要承认,与国际空间太阳探测的最高水平相比,我国的空间太阳探测与国际差距巨大——虽然我国科学家曾相继提出了观测太阳的“天文卫星1号”计划、“空间太阳望远镜”计划、在日地拉格朗日L1点对太阳进行综合探测的“夸父”计划,但这些计划终因各种原因未能实施。

但我们已经开始追赶的脚步——我国的风云气象卫星已发布了中国第一次的太阳极紫外观测图像,借助“双超”高技术卫星平台搭载太阳Hα望远镜的“羲和号”已经成功升空,这些事件标志着我国开始了追赶国际先进行列的历程。2017年,中科院空间科学先导专项正式启动了“先进天基太阳天文台”卫星工程ASO-S项目。目前,ASO-S项目已经转入正样研制阶段,将于2022年发射。

太阳探测的未来竞争焦点

在美欧成功实施了里程碑性质的PSP和SolarOrbiter以后,国际相关领域的探测热点聚焦到了太阳探测的最后一块空白——太阳极区的探测。

无论天基还是地基观测,当我们身处黄道面的时候,由于投影效应和临边昏暗效应等,我们对太阳极区的观测非常困难。这种困难相当于两个个头差不多的人看不见对方的头顶。目前人类尚未实现过对太阳极区的正面成像观测,SolarOrbiter虽然偏离了黄道面,但其偏离角度只有二十多度,即便任务末期计划提高到34度,两者的高度差也不足以看清另一个的头顶。

研究表明,太阳极区的磁场和流场在太阳活动周演化中起着至关重要的作用。完善这方面的观测数据,从而完成有关太阳活动周起源的“发电机模型”的最后一块观测拼图,有望为这一科学问题的研究带来重大突破。同时,起源于极区的高速太阳风,是构成日地空间环境联系的核心要素,目前人类对其起源机制和过程知之甚少。极区探测同样可为太阳活动的日地物理传播过程和行星际效应方面的研究带来巨大进展。

由于这些重大科学机遇,国际空间探测的下一个竞争热点必然是太阳极轨探测。目前,欧美的空间科学发展规划都提出了太阳极轨探测的设想。我国早在10年前的《月球与深空探测》规划中就提出了开展太阳极轨探测的项目建议。目前,我国在这方面预研处于和国际齐平乃至略微领先的地位,再考虑到美欧PSP和SolarOrbiter刚实施不久,中国具备了率先实施的绝佳机会,而项目一旦成功,必将使我国的空间太阳探测实现快速超车。同时,在太阳活动周起源、高速太阳风起源等重大科学问题研究中抢占先机。

国际空间太阳探测的另一个竞争热点是针对太阳活动的日地物理因果链监测。在黄道面(如能联合太阳极轨观测更佳)安放多颗卫星,实现对太阳-地球空间的全方位立体探测,力争理解日地空间这个超级复杂系统的行为和机理,一方面可以满足国家在日地空间环境监测预报方面的战略需求,另一方面为系外行星空间天气宜居性的研究提供观测和理论基础。我国也已经启动了与这方面有关的多个研究计划,处于国际竞争的第一集团,同样能为重大科学问题研究带来突破性进展。

至于太阳物理中有关太阳磁场本身性质、日冕加热等科学问题,相较于前述几个方面,属于更基础的科学问题。太阳磁场内禀性质研究,其实是太阳磁场测量历史中的一个世纪难题,攻克这个难题需要实施空间大口径太阳光学望远镜计划。而日冕加热问题,则需在此基础上发展新的观测理论和方法,比如突破日冕磁场测量的技术瓶颈。我国已在这方面开展一些新尝试,有可能带来一些惊喜。

得益于国力的大幅度提升,中国已经具备了在重大科学问题探索上投入的经济实力;而依靠国家探月和深空探测、载人航天等带来的硬实力提升,我国也已经具备了实施重大太阳探测任务的技术实力。时不我待,期待中国的太阳观测研究尽早步入世界之巅。

(作者:邓元勇    杨尚斌,分别系中国科学院国家天文台研究员、副研究员)

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