太阳探测：半个世纪“追风”史

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水手2号：确认太阳风存在

太阳风的发现者尤金·帕克博士于1958年发表了有关太阳风基本性质的论文，对当时学术界权威查普曼所坚持的太阳静止大气理论提出了挑战。然而，虽然帕克的理论有着相当简洁明了的物理图像，但查普曼的学术地位阻止了太阳风理论的广泛传播和接受。好在人类太空时代的来临使得科学家们有机会使用航天器去往行星际空间，在太阳风可能出现的地方进行实地测量。1962年，“水手2号”持续100多天的观测证实了太阳风的存在，且太阳风的性质与帕克博士预言的基本一致，从而使科学界最终接受了帕克博士的理论、否定了权威查普曼的理论。

“水手2号”是美国“水手计划”系列探测器中的一颗。这些探测器的任务是对金星、火星等其他行星进行探测，获得这些行星的基本性质信息，并验证长距离星际飞行、借力飞行等技术。“水手2号”的目的地是金星，其首要目标是对金星的温度、大气厚度、行星磁场强度等性质进行探测。然而，在从地球到金星的飞行过程中，科学家们也没有让这搜探测器“偷懒”。“水手2号”搭载的磁场和粒子探测设备对行星际空间中的物质和磁场进行了持续的探测。探测数据表明，行星际空间中存在远离太阳的高速带电粒子流，其速度在400公里/秒到700公里/秒间变化，且持续存在、从未停息，与帕克博士对太阳风的预言的完全一致。在此之前，苏联的月球1号探测器和美国的“探测者10号”都曾经探测到过这样的粒子流，但它们的探测数据或者物理参数不够全面，或者持续的时间太短，而“水手2号”的探测则给太阳风的存在带来了确切的证据，由此开启了太阳风探测的大幕。

▲太阳神探测器

太阳神A、B：靠近太阳的探测

2018年8月12日发射的帕克太阳探测器将以前所未有的距离接近太阳，解开日冕加热和太阳风加速的谜题。而在上世纪70年代发射的太阳神A、太阳神B探测器，曾创下了帕克太阳探测器之前人造飞行器距离太阳最小的记录。两艘探测器均运行在环绕太阳的大椭圆轨道上。太阳神A的近日点距离为0.311AU，而太阳神B探测器的近日点距离则进一步缩小到0.291AU。太阳神计划由美国和联邦德国合作完成，联邦德国的空间机构DFVLR出资70%，美国宇航局出资30%。两艘探测器的制造均由德国公司完成，因此这两艘探测器也称为太空时代开始以来第一组在美国和苏联以外制造的航天器。

太阳神A在飞行过程中遇到了一些麻烦，探测器的一个天线没有正确展开，导致了对低频等离子体波探测灵敏度的下降。同时，科学家们还发现太阳神A的高增益天线在与地球通信时，会干扰科学仪器的正常工作。为了克服这个问题，他们不得不在地面上征用了更大口径的天线，让太阳神A使用低增益天线与地面通讯。较晚发射的太阳神B与太阳神A的设计基本相同，但根据太阳神A暴露出的问题做了若干改进。此外，尽管太阳神A已经距离太阳很近，但工程师们发现其在近日点的温度仍然低于设计指标，因此太阳神B在安全工作的前提下进一步调低了近日点的位置。

太阳神A与太阳神B探测器对太阳风的物理参数和波动性质进行了成功的探测。虽然与太阳的距离还不足以到达日冕，但这两艘探测器还是发现了许多在地球附近没有发现的现象，为太阳风理论的发展提供了新的研究素材与证据。例如，两艘探测器发现了快速太阳风和冕洞间的联系，还对太阳爆发时产生的激波特性随着日心距离的增加而发生的变化。此外，由于这两艘探测器进行科学探测的时间较长，科学家们还能利用累积的数据对太阳风的一些特性进行统计平均研究。

▲SOHO探测器

SOHO与ACE：L1点双雄

在太阳与地球的连线上，存在一个性质特别的日地第一拉格朗日点（L1点）。在地球和太阳引力的共同作用下，部署在这里的飞船绕太阳公转的角速度和地球绕太阳公转的角速度一样。也就是说，地球绕太阳公转过多少角度，飞船就会转过同样的角度，因此，它始终处于地球和太阳连线上的固定位置。对于使用类似望远镜的仪器进行遥感观测的探测器来说，此处能够在保持与地球不间断通信的情况下对太阳进行稳定连续的观测。而对于进行局地太阳风参数探测的探测器，L1点可以说是太阳风暴吹袭地球、造成灾害影响前的最后一道防线。当太阳风暴到达L1点、被卫星探测到后，地球尚有几十分钟的预警时间，可以采取一些最后的应急措施。L1点处于地球磁层之外，探测到的是尚未与地球磁层发生相互作用的太阳风数据，对研究太阳风性质、验证太阳风预报模式的预报效果有不可替代的作用。

1996年和1997年，SOHO探测器和ACE探测器相继开始在L1点工作，并一直正常工作到了今天。SOHO主要侧重于遥感感测，能够通过不同波段、不同原理的观测仪器洞悉从太阳内部到太阳大气中的秘密。利用太阳表面的多普勒现象，SOHO能够得到光球上的磁场分布，还能通过太阳内部P波和S波传播特性的差异反推太阳内部的情况。在低层日冕中，形成太阳风的等离子体能够释放出极紫外波段的辐射信号，SOHO通过极紫外波段的观测可以获取低层日冕的信息，对耀斑爆发做出监测。太阳风等离子体在日冕中还会散射太阳光，形成白光日冕。在日食过程中观测到的日冕结构就是白光日冕。SOHO上装备了一种名叫日冕仪的仪器，能够不间断地制造人工日食，使科学家们可以通过白光日冕的形态追踪太阳风暴传播的轨迹。

ACE的工作位置虽然和SOHO相同，但装备的都是进行局地探测的仪器。从ACE部署到L1点开始，科学家们第一次获得了同一点长达数十年的不间断的太阳风局地观测数据，极大地推动了太阳风和太阳风暴性质的研究。ACE可以测量飞船所在位置的太阳风的温度、密度等参数，还能测定太阳风流和太阳风所携带磁场的方向和大小。在太阳风中，含量最高的是氢离子，但也有氦离子、铁离子、氧离子等重离子。这些重离子的含量虽然比氢离子少很多，但他们却携带了非常重要的物理信息。当这些重离子离开日冕时，它们的性质便不再发生改变。因此，通过对比局地观测中的重离子性质和日冕遥感观测，科学家们可以推测某一时间观测到的太阳风来源于日冕中的哪类区域，从而更清楚地认识太阳风的传播演化过程。目前，ACE已经进入超期服役状态，而美国已经发射DSCOVR卫星到L1点，来接替ACE的探测工作。

▲ACE探测器

▲在不同波段对太阳进行观测所获取的拼合图像

▲STEREO A 和B探测器

STEREO和SDO：新世纪的太阳风探测器

2006年，两颗STEREO探测器被发射升空，在利用月球的引力进行借力飞行后，这两艘设计制造完全相同的双胞胎探测器进入了环绕太阳的轨道。STEREO-A轨道位于地球公转轨道的内侧，而STEREO-B轨道位于地球公转轨道的外侧，轨道的差异使得两艘探测器绕日公转的角速度有所差异。从地球公转方向看，STEREO-A的角速度要大于STEREO-B，因此两艘飞船相对地球的距离将逐渐增大，从而能从不同角度观察太阳上的同一现象，实现更立体的太阳遥感观测。除了极紫外和白光日冕观测仪器外，STEREO还装备了一种名叫“日球仪”的仪器，能够分辨出太阳风暴在距离太阳很远的行星际空间中传播的轨迹，从而帮助科学家们更好地研究和预报太阳风暴。2011年，两颗STEREO探测器间的夹角达到了180度，进行了人类历史上首次对太阳360度的同时观测。2014年，STEREO-B探测器在一次例行维护中姿态失控，重新对卫星恢复控制的尝试也没有成功，使这颗探测器目前仍然处于失联状态。

▲SDO探测器拍摄的一次X级耀斑爆发

2010年，SDO探测器发射升空。它和SOHO、STEREO一样，也是一艘进行遥感观测探测器，但和其他遥感探测器不同的是，SDO并没有进入环绕太阳的轨道，而是在地球轨道上进行观测太阳的工作。由于与地球的距离较近和新技术的采用，SDO下传观测数据的速率比其他太阳探测器都要高，使得它所搭载的三台高精度遥感观测仪器的数据能够及时下传。SDO的观测方式与SOHO和STEREO基本重合，但精度有很大提高，可以使科学家们看清日冕中一些结构的细节，从而更深入地揭示日冕中的各类物理过程。