對(duì)太陽我們了解得還不夠

南方周末特約撰稿　鞠強(qiáng)

太陽軌道探測(cè)器可以在太陽自轉(zhuǎn)時(shí)在表面的某些位置上空懸停。來源　?　ESA

太陽軌道探測(cè)器發(fā)射升空?qǐng)D。來源　?　ESA

太陽軌道探測(cè)器進(jìn)入發(fā)射前的準(zhǔn)備工作。

人類其實(shí)并不真正了解他們?cè)偈煜げ贿^的太陽。最近兩年來先后發(fā)射的兩架太陽探測(cè)器將對(duì)造成太陽行為變化以及如何影響地球的背后力量有更多的認(rèn)識(shí)。

2020年4月24日是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（Hubble Space Telescope）升空30周年紀(jì)念日，全世界的天文學(xué)家和天文愛好者都在慶祝這個(gè)具有里程碑意義的日子。30年來，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡成果豐碩，徹底改變了我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。

但在以哈勃太空望遠(yuǎn)鏡為代表的一批探測(cè)器望向宇宙深處的同時(shí)，我們其實(shí)在很長(zhǎng)時(shí)間里都缺乏對(duì)太陽的足夠了解。太陽作為太陽系的母星，對(duì)人類、地球上的其他生命以及整個(gè)太陽系都有著不可替代的意義，因此研究太陽的形成、演化和對(duì)地球的影響就成為天體物理學(xué)家的重要任務(wù)之一。不過，伴隨兩臺(tái)太陽探測(cè)器在2018年和2020年先后發(fā)射，我們有望以前所未有的水平了解這個(gè)對(duì)人類來說最重要的天體。

探索太陽兩極

北京時(shí)間2020年2月10日，由歐洲空間局（ESA）領(lǐng)導(dǎo)并和美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）合作的太陽軌道探測(cè)器（Solar Orbiter）在美國(guó)佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空。如果任務(wù)進(jìn)展順利，太陽軌道探測(cè)器將成為首個(gè)拍攝太陽南北極地區(qū)圖像的探測(cè)器，從而幫助研究人員獲得對(duì)太陽更加完整的了解。

太陽軌道探測(cè)器是ESA正在實(shí)施的名為“宇宙視野2015-2025”（Cosmic Vision2015-2025）的科學(xué)計(jì)劃的一部分。發(fā)射這樣一個(gè)探測(cè)器的想法最早始于1982年。2000年，ESA同意啟動(dòng)這個(gè)項(xiàng)目并在2003年進(jìn)行了再次確認(rèn)。ESA在2012年同制造商簽訂合同。探測(cè)器的制造前后花費(fèi)了6年時(shí)間，并經(jīng)過1年多的測(cè)試。ESA最早計(jì)劃在2017年把探測(cè)器發(fā)射升空，后經(jīng)過幾次推遲最終確定在2020年。

太陽軌道探測(cè)器重1800千克，翼展18米，攜帶10種科學(xué)設(shè)備，包括磁力計(jì)、高能粒子探測(cè)儀和太陽風(fēng)層成像儀等。依靠這些設(shè)備，探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)兩種研究模式：一種是測(cè)量探測(cè)器附近的空間環(huán)境，包括電場(chǎng)、磁場(chǎng)和粒子等；另一種是從遠(yuǎn)處拍攝太陽的圖像，包括太陽大氣和物質(zhì)的噴流。探測(cè)器距離太陽最近時(shí)同太陽的距離只有大約4200萬千米，屆時(shí)將位于水星的軌道內(nèi)。特制的隔熱板可以經(jīng)受500℃高溫的考驗(yàn)，先進(jìn)的隔熱技術(shù)將對(duì)探測(cè)器攜帶的科學(xué)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

探測(cè)器成功發(fā)射后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)首先會(huì)對(duì)其進(jìn)行為期大約3個(gè)月的調(diào)試，以驗(yàn)證探測(cè)器攜帶的科學(xué)設(shè)備都能正常工作。此后，探測(cè)器還需要將近2年的時(shí)間才能進(jìn)入環(huán)繞太陽的工作軌道，這個(gè)特殊的軌道是探測(cè)器能夠拍攝太陽南北兩極圖像的關(guān)鍵。

日地平均距離約為1.5億千米（1AU），這個(gè)距離遠(yuǎn)小于地球到冥王星的距離。但是，把探測(cè)器向太陽發(fā)射并不比把探測(cè)器向冥王星發(fā)射更簡(jiǎn)單。地球時(shí)刻都在高速繞太陽旋轉(zhuǎn)，從地球上發(fā)射的探測(cè)器需要減速，不斷降低軌道，才能接近太陽。這個(gè)減速過程通過探測(cè)器自身的發(fā)動(dòng)機(jī)無法完成，因此在接近太陽的過程中，探測(cè)器不是徑直飛向太陽，而是首先需要3次借助行星的引力彈弓效應(yīng)實(shí)現(xiàn)減速。這3次分別是2020年12月和2021年8月依靠金星的引力彈弓效應(yīng)減速以及2021年11月依靠地球的引力彈弓效應(yīng)減速。

在利用地球的引力彈弓效應(yīng)減速后，探測(cè)器將在2022年首次飛掠太陽，此時(shí)距離太陽的距離約為日地距離的1/3。在隨后的任務(wù)期內(nèi)，探測(cè)器還會(huì)6次利用金星的引力彈弓效應(yīng)不斷接近太陽，并將自己從太陽系的黃道面中甩出，進(jìn)入環(huán)繞太陽的高橢圓軌道。

在太陽系中，行星環(huán)繞太陽運(yùn)行的軌道基本都在一個(gè)平面內(nèi)，這個(gè)平面和太陽自身的赤道面只有很小的夾角。因此，地球上的望遠(yuǎn)鏡或者衛(wèi)星上的望遠(yuǎn)鏡對(duì)太陽進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，對(duì)太陽赤道地區(qū)有比較多的了解，對(duì)太陽的南北極地區(qū)的觀測(cè)則非常有限。ESA和NASA曾經(jīng)聯(lián)合在1990年10月發(fā)射了尤利西斯（Ulysses）太陽探測(cè)器，這個(gè)探測(cè)器一直工作到2009年6月。尤利西斯探測(cè)器曾經(jīng)在傾斜軌道上對(duì)太陽兩極附近的空間區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，但是尤利西斯探測(cè)器距離太陽太遠(yuǎn)而且也沒有攜帶相機(jī)，所以無法對(duì)太陽的兩極地區(qū)進(jìn)行拍攝。

太陽軌道探測(cè)器在借助引力彈弓效應(yīng)進(jìn)入高橢圓軌道后，可以在計(jì)劃中的5年的任務(wù)期內(nèi)，到達(dá)與太陽赤道面的傾角超過17°的位置；在根據(jù)任務(wù)需要而可能進(jìn)行延伸的任務(wù)期內(nèi)，傾角最大可以達(dá)到33°。這樣探測(cè)器就能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽南北兩極的觀測(cè)和拍攝。同時(shí)，太陽軌道探測(cè)器的最高速度幾乎可以達(dá)到太陽的自轉(zhuǎn)速度，因此探測(cè)器可以在太陽自轉(zhuǎn)時(shí)在表面的某些位置上空懸停，進(jìn)而研究太陽的某個(gè)特征是如何隨時(shí)間演化的。

長(zhǎng)期以來，研究人員了解到太陽活動(dòng)的周期為11年左右，但是描述這一周期的模型卻始終無法與觀測(cè)結(jié)果匹配，重要原因就是缺少太陽兩極地區(qū)的數(shù)據(jù)。太陽軌道探測(cè)器獲得的信息將成為完善太陽磁場(chǎng)模型的關(guān)鍵拼圖，使研究人員了解驅(qū)動(dòng)太陽活動(dòng)的力量。

研究人員通過探測(cè)器獲得的數(shù)據(jù)可以研究太陽內(nèi)部的工作機(jī)制，觀測(cè)太陽噴發(fā)出的高能粒子并且追蹤這些粒子通過太陽風(fēng)的形式在太陽系中的運(yùn)動(dòng)，以便更好地理解和預(yù)測(cè)空間天氣。太陽風(fēng)暴對(duì)電網(wǎng)、航空運(yùn)輸和通信都會(huì)造成影響，并且威脅到進(jìn)行太空行走的航天員的安全。發(fā)生在1859年的卡林頓事件被認(rèn)為是有記錄以來最強(qiáng)的太陽風(fēng)暴，此后對(duì)人類生活造成嚴(yán)重影響的太陽風(fēng)暴也屢見不鮮。如果能夠進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的空間天氣預(yù)報(bào)，我們就可以提前關(guān)閉通信設(shè)備、合理規(guī)劃航班以及停止航天員出艙作業(yè)，將太陽風(fēng)暴對(duì)我們的影響降至最低。

對(duì)此，ESA科學(xué)主任岡瑟·哈辛格（Günther Hasinger）就在ESA官網(wǎng)上表示：“人類一直都很熟悉太陽對(duì)地球上的生命的重要性，觀察太陽并且仔細(xì)研究太陽是如何工作的。但同時(shí)我們也知道，強(qiáng)大的太陽風(fēng)暴有可能打亂我們的日常生活。到太陽軌道探測(cè)器任務(wù)結(jié)束的時(shí)候，我們將對(duì)造成太陽行為變化以及它對(duì)我們地球的影響的背后力量有更多的了解。”

NASA科學(xué)副主管托馬斯·佐布臣　（Thomas Zurbuchen）　也在NASA官網(wǎng)上表示：“太陽軌道探測(cè)器將和其他近期正在執(zhí)行的NASA任務(wù)共同研究太陽，我們也將獲得對(duì)這顆恒星前所未有的新知識(shí)。我們將同歐洲合作伙伴一起進(jìn)入一個(gè)太陽物理學(xué)研究的新時(shí)代。”

抵近觀察太陽

太陽軌道探測(cè)器的發(fā)射是近年來蓬勃發(fā)展的太陽研究的一個(gè)縮影，也是人類探索太陽的最新嘗試。除了合作發(fā)射尤利西斯探測(cè)器外，ESA和NASA曾經(jīng)在1995年12月合作發(fā)射了“太陽和太陽風(fēng)層探測(cè)器”

（Solar and Heliospheric Obser-vatory，SOHO）。這個(gè)探測(cè)器發(fā)射時(shí)計(jì)劃工作2年，但到目前為止已經(jīng)工作了超過24年的時(shí)間，任務(wù)期還有可能繼續(xù)延長(zhǎng)至2022年。

托馬斯·佐布臣提到的NASA最近在執(zhí)行的太陽任務(wù)中，一個(gè)關(guān)鍵部分就是帕克太陽探測(cè)器（Parker Solar Probe）。北京時(shí)間2018年8月12日，帕克太陽探測(cè)器發(fā)射升空飛向太陽。這個(gè)探測(cè)器的任務(wù)是對(duì)日冕和太陽風(fēng)進(jìn)行研究，從而加深我們對(duì)于太陽物理的認(rèn)識(shí)。探測(cè)器以現(xiàn)年92歲的美國(guó)天體物理學(xué)家尤金·帕克（Eugene Parker）命名，正是他在1958年前首先提出了太陽風(fēng)理論。

如果任務(wù)一切按計(jì)劃順利進(jìn)行，帕克太陽探測(cè)器將創(chuàng)造多項(xiàng)第一。比如說，它將成為有史以來距離太陽最近的探測(cè)器。在任務(wù)周期內(nèi)，探測(cè)器距離太陽最近時(shí)的距離只有大約600萬千米，這個(gè)距離差不多是此前距離太陽最近的探測(cè)器太陽神2號(hào)（Helios B）的1/7。由于日冕的范圍從太陽表面向外延伸超過1000萬千米，因此帕克號(hào)也將成為首個(gè)進(jìn)入日冕層進(jìn)行觀測(cè)的探測(cè)器。

帕克號(hào)在任務(wù)周期內(nèi)能夠24次飛掠太陽，這樣探測(cè)器就有足夠的時(shí)間來收集數(shù)據(jù)。而在最后3次接近太陽的時(shí)候，帕克號(hào)的最高速度將會(huì)達(dá)到200千米/秒，成為有史以來速度最快的探測(cè)器。

在發(fā)射之后這一年多的時(shí)間里，帕克太陽探測(cè)器已經(jīng)給我們帶來了很多驚喜。北京時(shí)間2019年12月5日凌晨，NASA向媒體發(fā)布了研究人員根據(jù)帕克太陽探測(cè)器的前3次飛掠得到的首批研究成果，4篇研究論文也于同日發(fā)表在《自然》（Nature）上。2020年2月3日，《天體物理學(xué)雜志》（The Astro-physical Journal）出版了一期以帕克號(hào)為主題的增刊，發(fā)表了47篇根據(jù)帕克太陽探測(cè)器的觀測(cè)數(shù)據(jù)撰寫的論文。這些論文同樣基于帕克號(hào)的前3次飛掠，有些是對(duì)《自然》上發(fā)表的論文進(jìn)行了補(bǔ)充，有些是新近完成的研究。在這些論文之前，美國(guó)空間物理學(xué)家瑪西亞·紐格伯爾（Marcia Neugebauer）撰寫了一篇引言，正是她首次探測(cè)到帕克提出的太陽風(fēng)。

在2019年底發(fā)表于《自然》上的這4篇論文中，研究人員報(bào)告了初步的研究成果。他們發(fā)現(xiàn)，雖然太空中充滿塵埃，但是在靠近太陽的空間區(qū)域內(nèi)，因?yàn)閴m埃被加熱成氣體，因此可能存在無塵區(qū)域。數(shù)據(jù)顯示，從距太陽大約1100萬千米處到約600萬千米處，塵埃逐漸變少。真正的無塵區(qū)域可能在距離太陽300萬-400萬千米的區(qū)域，預(yù)計(jì)2020年帕克太陽探測(cè)器可以到達(dá)這個(gè)區(qū)域。

研究人員在地球附近觀測(cè)到的太陽風(fēng)是相對(duì)均勻的等離子體流。但是太陽風(fēng)到達(dá)地球時(shí)已經(jīng)經(jīng)過了1.5億千米的旅程，因此能夠幫助研究人員理解太陽加熱和加速太陽風(fēng)的機(jī)制的很多信息都已經(jīng)被抹掉。帕克太陽探測(cè)器在太陽附近的太陽風(fēng)中觀測(cè)到了截然不同的情況。等離子體中的磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生快速的變化，同時(shí)有突然而快速移動(dòng)的物質(zhì)噴射，這些都使太陽風(fēng)同在地球附近時(shí)相比更加不穩(wěn)定。這些細(xì)節(jié)是幫助研究人員理解太陽風(fēng)如何在太陽系中傳播能量的關(guān)鍵信息。

其中吸引研究團(tuán)隊(duì)目光的一種特別的現(xiàn)象是太陽的磁力線發(fā)生令人意想不到的變化，會(huì)在幾秒鐘到幾分鐘之內(nèi)發(fā)生180°　的轉(zhuǎn)向。在《自然》上的一篇論文中，研究人員進(jìn)行了初步的探討，而在《天體物理學(xué)雜志》增刊的一篇論文中，他們對(duì)此進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，不過目前還無法解釋這種現(xiàn)象。除了先后發(fā)表的4篇和47篇論文外，更多根據(jù)前3次飛掠獲得的數(shù)據(jù)而進(jìn)行的研究還將陸續(xù)發(fā)表成果。

迎來黃金時(shí)代

ESA和NASA在太陽研究領(lǐng)域內(nèi)建立了緊密的合作，各自主導(dǎo)的一臺(tái)探測(cè)器同其他在軌探測(cè)器和地基觀測(cè)設(shè)備配合，可以勾勒出一幅更加完整的太陽物理圖像。太陽軌道探測(cè)器和帕克太陽探測(cè)器有不同的特點(diǎn)。帕克太陽探測(cè)器比太陽軌道探測(cè)器距離太陽近得多，以更好地研究

太陽風(fēng)的起源，但是帕克號(hào)沒有攜帶直接給太陽拍照的照相機(jī)。而太陽軌道探測(cè)器攜帶的設(shè)備既能對(duì)太陽進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量，又能觀測(cè)探測(cè)器周圍的空間環(huán)境，這些能夠?yàn)榻庾x帕克太陽探測(cè)器的觀測(cè)數(shù)據(jù)提供更多的信息。太陽軌道探測(cè)器上搭載的相機(jī)可以拍攝帕克太陽探測(cè)器的位置，這樣在帕克號(hào)測(cè)量等離子體時(shí)，太陽軌道探測(cè)器會(huì)在后面為它拍照。從兩臺(tái)探測(cè)器互補(bǔ)的數(shù)據(jù)中，研究人員可以發(fā)現(xiàn)更多的科學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)一加一大于二的效果。

NASA太陽軌道探測(cè)器項(xiàng)目科學(xué)家霍利·吉爾伯特（Holly Gil-bert）表示：“太陽軌道探測(cè)器和帕克太陽探測(cè)器在這段非凡的旅程中將共同揭開太陽和太陽大氣的最大謎團(tuán)。兩項(xiàng)任務(wù)和它們令人驚嘆的技術(shù)進(jìn)步的強(qiáng)有力結(jié)合將把我們對(duì)太陽的理解推向新的高度。”

研究人員通過對(duì)太陽進(jìn)行詳細(xì)研究，不僅可以解答眾多有關(guān)太陽自身的問題，更好評(píng)估太陽活動(dòng)對(duì)人類生活和未來太空探索任務(wù)的影響，還有望加深對(duì)恒星演化機(jī)制的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，在人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)千顆地外行星的情況下，這些研究還有助于科學(xué)家推測(cè)圍繞類日恒星運(yùn)行的地外行星上是否存在生命。毫無疑問，太陽物理學(xué)研究正在進(jìn)入一個(gè)黃金時(shí)代。