太阳探测踏上新征程

文/杨诗瑞

▲ 羲和号卫星轨道运行模拟图

▲ 伽利略记录太阳黑子的手稿

▲ 尤金·帕克观看“帕克号”奔向太阳

10 月14 日，我国在太原卫星发射中心使用长征二号丁运载火箭，成功发射首颗太阳探测卫星“羲和号”。“羲和号”全称为太阳Hα 光谱探测与双超平台科学技术试验卫星，将实现国际首次太阳Hα 波段光谱成像的空间探测，也标志我国正式进入“探日时代”。

太阳是离地球最近的恒星，太阳活动对地球的空间天气、全球气候以及航天活动都有着巨大的影响。时至今日，人类对太阳的认知逐渐深入，也发现更多问题。在第25 个太阳活动周期，多个国家开启了太阳探测的新征程，太阳探测方兴未艾。

熟悉而又陌生的太阳

太阳距离地球约1.5 亿千米（1个天文单位），是离地球最近、与人类关系最密切的恒星。约46 亿年前，太阳在距离银河系中心2.6 万光年处，由星云在自身引力作用下坍塌凝聚形成。太阳寿命大致有100 亿年，目前正处于壮年期。太阳直径有139 万千米，是地球的107 倍，质量达2×1030千克，是地球的33 万倍，占整个太阳系总质量的99.87%。

太阳时时刻刻都在发生核聚变，源源不断向外界辐射能量，为人类的家园——地球带来温暖和光明，是万物生长的源泉，也是地球自然演化和人类文明发展的不竭动力。从古至今，人们都对太阳充满好奇，用各种方式对它进行观测和研究。我国《汉书·五行志》中保存了最早有明确日期的太阳黑子记录，古希腊也有哲言“太阳每天都是新的”。

17 世纪，伽利略开始用望远镜观测太阳黑子，牛顿用三棱镜发现了太阳光谱。到了19 世纪，得益于现代科学发展，人类开始用物理方法研究太阳，太阳物理学快速发展，人类对太阳的认识不断深化。

1843 年，欧洲天文学家发现太阳黑子的数目大约有11 年的周期变化。随后，人们发现了太阳耀斑，测定了黑子磁场，确立日冕的存在，发现太阳米波射电辐射、紫外和X 射线光谱。1958 年，尤金·帕克预言了太阳风的存在并在1962 年得到观测证实。

上世纪60 年代以来，随着航天技术的快速发展，美国、苏联、欧洲、日本等国家先后发射了70 余颗用于太阳探测的卫星和探测器。卫星探测具有无比的优越性，可以排除地球大气干扰进行多频段的信号观测，克服地球昼夜变化和天气限制开展长时间观测，太阳探测器把人类对太阳的研究带到一个开创性的新时代，以前所未有的速度带来更加丰富的认识。

探测太阳的意义

▲ 日冕物质抛射

太阳是地球及其生命系统的原动力，太阳对地球的总辐射变化影响了地球的长期气候变化。农耕时代，太阳对人类生产和生活的破坏性影响并不显著，但随着科技发展和进入航天时代，人类社会运转所依赖的各种地面和空间基础设施，受到空间天气的影响作用越来越显著。太阳耀斑等剧烈活动导致太阳风暴，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。太阳活动对人类社会生活的影响已经空前巨大，研究太阳及其影响成为非常重要而紧迫的课题。

1843 年，德国天文学家施瓦贝最早发现太阳黑子的数目大约有11 年的周期变化，后来，天文学家们确认这个周期性现象与太阳的活动有关。一个太阳活动周期为7～14 年，平均约11 年。每一轮周期开始于太阳活动最弱的时候，随后慢慢增强，大约五六年后达到峰值，然后再慢慢转弱，直到下一个周期。

在太阳活动极大的年份，耀斑、日冕物质抛射等爆发性事件大大增加，尤其是一次巨大的太阳爆发日冕物质抛射事件，可让数十亿吨的物质短时间内离开太阳，喷射到宇宙空间。爆发时的电磁辐射、高能带电粒子流和高速等离子体云侵袭地球外层空间，会破坏卫星和载荷，干扰无线电传播，使卫星定位导航产生误差，并使航天员面临高能辐射伤害威胁。

虽然有大气层保护，太阳爆发仍可能影响地球上航空飞行、无线电通讯，以及高纬度地区电网和管道系统等基础设施的可靠运行。1989 年3 月， 加拿大魁北克发生大停电，地铁、火车、飞机等交通工具无法正常运行，许多工作被迫停止，大约600 万人受到影响，这次事件就是太阳活动的结果。

▲ 国家天文台怀柔太阳观测基地

▲ 1962 年的轨道太阳天文台模型

除了对空间天气的影响，因为是离人类最近的恒星，太阳是迄今为止唯一一颗人类能观测到详细结构和物理过程的恒星，和唯一可以开展高精度磁场测量的恒星。对太阳的详尽观测可以帮助人类深入认识恒星内部产能机制、恒星结构和演化，以及恒星磁活动如何影响生命起源和宜居环境等重大科学问题。

半个世纪以来，人类发射了70 多颗卫星去探测太阳，但我们还没有真正了解太阳。时至今日，太阳爆发活动的成因、预报和对地影响，太阳活动周的异常行为以及太阳辐射与全球气候变化的关系等，仍旧是尚未被完全解决的世界级难题。

对太阳的探测不仅可以使人类更好地了解和预测空间天气，趋利避害，而且可以帮助人类揭开宇宙奥秘，牵引航天技术发展，对广泛的自然科学问题的探索都具有重要意义。

天地一体，综合观测

探测太阳的手段主要包括地基望远镜观测和火箭、气球、卫星等空间探测方式。当前太阳探测以空间探测和地基大型望远镜联合观测为主导，开启了多信使、全波段、全时域、高分辨、多尺度、多视角和高精度探测的时代。

太阳辐射的绝大部分能量集中在可见光和近红外波段，恰好这些波段的辐射可以穿透地球大气层到达地面。因此地基望远镜在太阳观测中占有非常重要的地位，即使在卫星探测迅速发展的今天，同样离不开地基望远镜的配合。

▲ 太阳对人类的影响

▲ 尤利西斯号探测器

我国在1984 年开始建设国家天文台怀柔太阳观测基地，装备多台先进的太阳观测设备，包括35 厘米口径太阳磁场速度场望远镜、60 厘米口径三通道望远镜、全日面光学和磁场监测系统，能够实现对太阳三维矢量磁场、视向速度场、各种单色像和白光像的全日面或活动区同时观测，是迄今已建成的功能最齐全的地基太阳观测基地。

太阳爆发现象，如耀斑、日冕物质抛射、爆发日珥等，几乎全都发生在太阳大气中，太阳色球层辐射主要集中在紫外波段，日冕辐射主要发生于极紫外和X 光波段。此外，太阳风、行星际激波和高能粒子现象的电磁辐射主要位于从几十千赫到几十兆赫之间，属于太阳甚低频波段。

由于地球大气的吸收和干扰，这些波段的太阳电磁辐射基本上无法到达地面，对这些现象开展观测，就需要人类把探测器送到大气层以外的空间。几十年来，世界各航天大国发射了数十颗太阳探测卫星，重点开展太阳爆发活动、太阳磁场、太阳风传播演化、空间环境形成演化等方面探测，取得了众多里程碑式的成果，积累了巨量关于太阳磁场、大气结构和太阳活动的系统完整的资料。

此次我国发射首颗太阳探测卫星“羲和号”，将实现世界首次太阳Hα 波段光谱成像，通过白光连续谱成像和光谱扫描成像两种方式观测太阳。Hα 波段谱线是太阳爆发时响应最强的色球谱线，能够直接反映爆发的源区特征，通过对Hα 光谱数据的分析，可以从光球层到色球层获取太阳低层大气的信息，从而推演太阳爆发时的大气温度、速度等物理量的变化，研究太阳爆发的动力学过程和物理机制。

揭开太阳神秘面纱

二战后，科学家们利用探空火箭对太阳进行了早期的探测，而真正从太空对太阳进行科学探测开始于20 世纪60 年代早期。

1960 年，美国发射先驱者5 号卫星，它的主要任务是探索地球与金星之间太阳耀斑对磁场的影响。飞行过程中，“先驱者5 号”巧遇一场太阳耀斑爆发，探测器记录到了重要信息。之后60 多年，人类发射众多太阳探测器，取得众多标志性成果，逐渐揭开太阳的神秘面纱。

美国宇航局在1962～1971 年间先后发射8 颗同类型卫星，组成轨道太阳天文台，该系列卫星目标是获取空间天气基本数据，保障载人航天任务顺利开展。轨道太阳天文台工作到1978 年，观测到了完整的太阳活动周期，OSO-7 首次测量到太阳耀斑γ射线谱线发射。

1980 年，美国发射太阳峰年卫星，它在太阳活动极大年时发射，主要科学目标是研究太阳耀斑。该卫星在轨运行近10 年，覆盖了太阳活动21 周和22 周的上升相，获取了非常丰富的观测资料。

1990 年10 月，欧空局和美国宇航局合作研制的“尤利西斯号”发射升空，探测器工作19 年，三次绕过太阳极区，是人类第一个有能力对太阳全维度进行观测的探测器。它发现了太阳磁场翻转的特性，探测到科学家未预料到的高纬度辐射暴，观测到极区太阳风从冕洞逸出的情形。

1991 年1 月，美、英、日三方联合研制的阳光卫星发射成功。它的主要使命是在太阳活动极大年周期内，利用X 射线望远镜和分光计对太阳耀斑等现象进行研究。这也是首次用X射线望远镜来专门研究太阳。

2001 年，美国发射起源号探测器，它的任务是搜集太阳风离子并返回地球，用于研究太阳系的起源和演化等方面问题。“起源号”工作在L1 拉格朗日点，虽然在返回时发生意外坠落在美国犹他州沙漠，但还是成功带回大量样品。

“日地关系观测台”是美国研制的两个几乎完全相同的太阳探测器，于2006 年10 月发射升空，分别位于地球绕太阳公转轨道的前后两侧，站在不同角度使得两颗探测器能够捕获多角度的太阳影像，提供前所未有的太阳立体视图。

2018 年8 月，帕克太阳探测器发射成功，是人类最接近太阳的探测器，能够在更近的距离对日冕物质抛射等太阳活动及太阳磁场进行观测，揭开了人类探索太阳的新征程。

未来发展

▲ 日地关系观测台

▲ 阳光卫星

随着认识的不断深入，人类关于太阳的问题也越来越多，还有很多重大的未解之谜等待破解。其中最主要有三大科学问题：一是太阳活动周期的起源问题，探索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；二是日冕加热机制，太阳大气最外层的日冕温度有上百万摄氏度，而太阳内层只有6000摄氏度，这种违背热力学第二定律的现象是怎样产生的；三是描绘太阳活动在日地空间传播和影响的完整物理图像，从而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。这些问题都在吸引科学家们不断深入探索。

太阳活动直接作用于地球空间环境，与人类生存、国民经济发展和国家安全的许多领域密切关联，太阳物理研究和太阳探测得到世界主要国家的高度重视，正处在空前繁荣阶段，并显示出良好的发展前景。一方面，各国持续发展新的太阳观测方法和手段，吸收光学、机械、无线电等领域最新成果，不断提高探测能力。另一方面，太阳探测在不断提升分辨率，从日地连线为主的探测升级到太阳抵近或双视角等多种探测方式，乃至全方位立体探测。

太阳活动周期约11 年，2021 年至2022 年是人类有记录以来第25 个太阳活动周期的开始，全世界又进入太阳研究新的高峰期。我国作为航天大国，及时开展太阳探测活动，十分必要，不能缺席。

日地关系观测台运行情况

我国正在开展的太阳探测计划有两个，分别是“羲和”和“夸父”。羲和号卫星重量508 千克，设计寿命3 年，运行于高度517 千米、倾角98度的太阳同步轨道，实现了我国太阳探测破冰之旅，标志着我国正式步入“探日”时代。夸父计划研制先进天基太阳天文台卫星，运行于700 千米太阳同步轨道。夸父计划由3 颗卫星组成，用以全天候监测太阳活动的发生及其伴生现象、太阳活动导致的地球近地空间环境的变化以及地球极光分布等。

此外，我国正在论证后续太阳探测发展计划，科学家们希望按照在黄道面内多视角探测、大倾角太阳极区探测和太阳抵近观测“三步走”进行实施，由易到难，逐步深入，进一步了解太阳的构造，确定太阳活动的三维结构，掌握机理和活动规律，预报空间天气，造福人类。

▲ 太阳辐射与日地空间