中國(guó)的探日問(wèn)天丨看過(guò)了星辰大海，但我們對(duì)太陽(yáng)的探索還深處未知

太陽(yáng)，人們眼里最耀眼的天體，地球上萬(wàn)物生長(zhǎng)之源，她帶給我們春光明媚、夏花滿園、秋果累累、冬雪飛舞，太陽(yáng)讓我們的世界生機(jī)盎然，絢爛多彩。然而，許多人所不知道的是，太陽(yáng)有時(shí)也會(huì)給人類帶來(lái)災(zāi)難。

1989年3月13日凌晨2點(diǎn)左右，加拿大魁北克地區(qū)的人們突然發(fā)現(xiàn)停電了，空調(diào)、暖氣、電梯、照明、地鐵、火車、機(jī)場(chǎng)全都陷入停頓，連醫(yī)院的手術(shù)臺(tái)都變成了漆黑一遍。這一停就是12個(gè)小時(shí)，近600萬(wàn)人在攝氏零下20度的嚴(yán)寒中苦熬，許多人還失去了生命。這次停電波及了魁北克及北美周邊地區(qū)。事后人們查明，這次災(zāi)難源于3、4天前，也就是當(dāng)年3月9日和10日太陽(yáng)上發(fā)生的兩次強(qiáng)烈的耀斑爆發(fā)，高速拋出了大量等離子體團(tuán)，匯合成流沖擊地球磁場(chǎng)，并在北美電網(wǎng)中產(chǎn)生了額外的感應(yīng)電流，造成電網(wǎng)嚴(yán)重過(guò)載，燒毀了變壓器等設(shè)備，從而導(dǎo)致大面積停電。

2003年萬(wàn)圣節(jié)期間，一系列太陽(yáng)耀斑爆發(fā)，導(dǎo)致了歐美和我國(guó)一些科學(xué)衛(wèi)星受到損壞，全球衛(wèi)星通信受到干擾，GPS定位功能出現(xiàn)了嚴(yán)重偏差，一些需要即時(shí)通信和定位的交通系統(tǒng)不同程度地癱瘓，史稱“萬(wàn)圣節(jié)風(fēng)暴”。太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)航空、航天衛(wèi)星通信與導(dǎo)航、大電網(wǎng)運(yùn)行、大國(guó)安全等高技術(shù)系統(tǒng)都有非常強(qiáng)的破壞作用，如何可靠預(yù)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)暴的發(fā)生，對(duì)高度依賴上述高技術(shù)系統(tǒng)的當(dāng)今社會(huì)尤為重要。

圖1：太陽(yáng)風(fēng)暴示意圖

無(wú)論是太陽(yáng)耀斑，還是日冕物質(zhì)拋射，歸根結(jié)底都源于太陽(yáng)磁場(chǎng)。變化的太陽(yáng)磁場(chǎng)不僅可以在太陽(yáng)光球?qū)赢a(chǎn)生黑子，還能觸發(fā)太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射的發(fā)生。為了研究太陽(yáng)風(fēng)暴的起源和發(fā)生規(guī)律，科學(xué)家們研制建造了各式各樣的地基或天基太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡。其中，地基太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡成本相對(duì)較低，維護(hù)運(yùn)行方便。例如，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地的太陽(yáng)磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡、明安圖觀測(cè)基地的太陽(yáng)射電頻譜日像儀MUSER、云南天文臺(tái)位于撫仙湖畔的一米真空太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡NVST等。但是，一方面由于地球自轉(zhuǎn)影響地基望遠(yuǎn)鏡只能白天觀測(cè)，另一方面由于地球大氣的吸收、屏蔽和干擾，在許多波段，如紫外波段、X射線波段等都無(wú)法觀測(cè)太陽(yáng)。于是，空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡就成了人們研究監(jiān)測(cè)太陽(yáng)最重要的利器。上世紀(jì)60年代以來(lái)，世界各國(guó)先后發(fā)射了70多顆太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星。2018年，美國(guó)“帕克”（Parker）太陽(yáng)探測(cè)器發(fā)射升空，以前所未有的近距離觀測(cè)研究太陽(yáng)并取得了大量科學(xué)成果。然而，作為航天大國(guó)的中國(guó)，卻在探日問(wèn)天的太空之旅中至今尚處空白！

圖2：我國(guó)主要的太陽(yáng)觀測(cè)基地

作為中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)之一的“先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)”（ASO-S）將于2021年底前后發(fā)射升空，從而將填補(bǔ)中國(guó)太空探日問(wèn)天的空白。“先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)”將攜帶3臺(tái)儀器，即全日面矢量磁像儀觀測(cè)太陽(yáng)磁場(chǎng)，硬X射線成像儀專門觀測(cè)太陽(yáng)耀斑爆發(fā)的非熱現(xiàn)象，萊曼阿爾法太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡專門觀測(cè)日冕物質(zhì)拋射。

除了3臺(tái)儀器的組合特色外，它們又各有自己的特色。比如，全日面矢量磁像儀的時(shí)間分辨率相對(duì)較高；硬X射線成像儀擁有國(guó)際上同類望遠(yuǎn)鏡中最多的99個(gè)探測(cè)器；萊曼阿爾法太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡本身就工作在一個(gè)國(guó)際上最新的觀測(cè)波段窗口上。

為了研制上述探測(cè)設(shè)備，需要攻克大量關(guān)鍵技術(shù)難題。比如，硬X射線成像儀的99個(gè)探頭相當(dāng)于99個(gè)小眼睛，這些小眼睛前面是由硬金屬加工的光柵構(gòu)成的，X射線光子需要穿過(guò)光柵中的縫隙，最窄的縫隙只有18微米，比頭發(fā)絲還要細(xì)，加工難度非常大，還需要綜合考慮熱脹冷縮、空間環(huán)境惡劣、經(jīng)歷發(fā)射過(guò)程等因素。萊曼阿爾法太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡無(wú)論是在國(guó)內(nèi)還是在國(guó)外都是一個(gè)全新的觀測(cè)窗口，沒有先例可以借鑒，一切都需從零開始摸索。

“先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)”將在距離地表720公里的太陽(yáng)同步軌道上運(yùn)行，該軌道穿過(guò)地球南北兩極，傾角98度，可以確保24小時(shí)對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行連續(xù)不斷地觀測(cè)。它預(yù)期在軌運(yùn)行時(shí)間將不少于4年。這期間正好處于太陽(yáng)第25活動(dòng)周的峰年期間，將對(duì)這期間的太陽(yáng)強(qiáng)烈爆發(fā)活動(dòng)進(jìn)行多波段、高質(zhì)量的觀測(cè)、研究，為災(zāi)害性空間天氣事件的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供可靠依據(jù)。

事實(shí)上，太陽(yáng)只是浩瀚星空中億萬(wàn)顆恒星中最普通的一顆，她之所以最耀眼，僅僅是因?yàn)樗x我們最近，因此也是被我們觀測(cè)得最仔細(xì)、空間分辨水平最高的一個(gè)恒星樣本，也是能被我們?cè)敿?xì)觀測(cè)的空間尺度最大的等離子體大火球，它可以作為現(xiàn)代天體物理和等離子體物理的天然實(shí)驗(yàn)室，對(duì)太陽(yáng)的高分辨率、多波段觀測(cè)將極大地推動(dòng)天體物理和基礎(chǔ)等離子體物理等學(xué)科的發(fā)展，這里蘊(yùn)含著重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的機(jī)遇。

圖3：我國(guó)“先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)”上的主要探測(cè)器

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的太陽(yáng)物理研究論文總數(shù)位居世界第二，但是大都依賴歐美太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星提供的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這在一定程度上構(gòu)成了“卡脖子”的問(wèn)題。因?yàn)樘?yáng)物理的研究和觀測(cè)水平直接關(guān)系到空間天氣預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的能力，而空間天氣的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)又關(guān)系到航空、航天衛(wèi)星通信與導(dǎo)航、國(guó)家安全等一系列國(guó)家重大需求，如果沒有自主的觀測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，一旦歐美大國(guó)對(duì)我們關(guān)閉相關(guān)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，我們的各種高技術(shù)系統(tǒng)將面臨癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)。“先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)”發(fā)射上天后，同時(shí)結(jié)合一系列地基太陽(yáng)觀測(cè)設(shè)備，我們不僅將擁有第一手的、自主的多波段太陽(yáng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，突破被卡脖子的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也將為國(guó)際天文學(xué)研究貢獻(xiàn)中國(guó)的力量。

“先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)”之后，我國(guó)科學(xué)家們還將繼續(xù)在探日問(wèn)天之旅上推進(jìn)一系列最新型的地基和空間太陽(yáng)探測(cè)計(jì)劃，使我國(guó)徹底擺脫對(duì)歐美大國(guó)的依賴，真正成為世界航天強(qiáng)國(guó)。

作者丨譚寶林 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)

審稿丨龐之浩 全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家

文章由騰訊“全民愛科學(xué)”團(tuán)隊(duì)推出

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