穿越日冕之門

自古以來，人類就對太空充滿了敬畏和好奇，而太陽，作為太陽系的核心，更是激發(fā)了無數(shù)人的探索欲望。太陽觀測的歷史，可以說是一部人類智慧的史詩，它記錄了我們的疑問、探索、發(fā)現(xiàn)和突破。

古代太陽觀測

太陽崇拜

在古人的觀念中，太陽不僅給世界帶來光明，更是生命和力量的源泉，是宇宙的主宰和神秘的存在。因此，許多古代文明都將太陽視為至高無上的神祇來崇拜和祭祀。

19 世紀(jì)，西方宗教研究領(lǐng)域自然神話學(xué)派的代表人物麥克斯·繆勒提出，人類所塑造出的最早的神是太陽神，最早的崇拜形式是太陽崇拜。

在中國上古神話中，太陽女神羲和為太陽洗完澡后，便駕駛著溢彩流金的神車，與太陽一起，在蒼穹上，從容優(yōu)雅地駛向西方的家：崦嵫（yānzī）。我國首顆太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗衛(wèi)星的名字就是“羲和號”。

這張圖片是出土于三星堆遺址的“青銅太陽輪”，它是一個圓形青銅制品，看上去就像是一輪噴薄而出的太陽。專家們推測，這可能是古蜀人祭祀太陽神的一種法器，寓意太陽永恒運(yùn)轉(zhuǎn)，生生不息。

這張圖片是金沙遺址出土的太陽神鳥金箔，制成年代相當(dāng)于商代晚期。仔細(xì)看圖，“四”只長頸長腿的神鳥首足前后相接，圍著太陽逆時針方向飛行，而構(gòu)成這個太陽的正好是“十二”道象牙狀光芒。“四”是春夏秋冬四季輪回，“十二”則是一年十二個月周而復(fù)始，“四”和“十二”的運(yùn)用，顯示出古蜀人在天文歷法上的深刻理解。

圖中描繪的是古希臘神話中的太陽神赫利俄斯，他是泰坦神許珀里翁和忒亞的兒子，也是月亮女神塞勒涅的兄弟。每天黎明時分，赫利俄斯會登上太陽馬車，由火焰馬拉拽，從東方到西方，為世間萬物帶來光明。

除了崇拜，古人也早早開始了對太陽的觀測。古代天文學(xué)家通過長期的觀察和數(shù)據(jù)記錄，形成了初步的太陽知識體系，并對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，這種認(rèn)識雖然充滿了神秘和想象，但它卻孕育了人類對太陽的理性認(rèn)識，并逐漸發(fā)展成了近現(xiàn)代太陽觀測的基石。我國古人通過觀察日影的長度、星宿的位置，以及植物的生長等現(xiàn)象，來認(rèn)識季節(jié)的變化。他們發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移，太陽在天空中的位置也在變化，從而導(dǎo)致不同的氣候和季節(jié)。

公轉(zhuǎn)與季節(jié)變化

中國古代的天文學(xué)家和天文觀測者經(jīng)過長期觀察、記錄并分析，總結(jié)出了春分、夏至、秋分和冬至四個重要節(jié)氣。現(xiàn)代科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，春分和秋分時，太陽直射點(diǎn)落在赤道上，這時晝夜長短相等，是晝夜平分的時刻。夏至?xí)r，太陽直射點(diǎn)位于北回歸線上，北半球白晝最長；冬至?xí)r，太陽直射點(diǎn)位于南回歸線上，北半球白晝最短。

我們在夏季會感覺很熱，這是因為太陽直射點(diǎn)在北半球，我們所在地區(qū)獲得的太陽光照更強(qiáng)、時間更長。冬至?xí)r太陽直射點(diǎn)位于南回歸線，北半球接受的日照量減少，我們就會感覺比較寒冷。

這些節(jié)氣的變化反映了地球繞太陽公轉(zhuǎn)的周期性運(yùn)動。人們根據(jù)這些節(jié)氣變化來確定種植、收獲、祭祀等活動的時間，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和文化活動具有重要的指導(dǎo)意義。

日晷——測量時間

日晷是中國古代最早的時間計量工具之一。日晷通過一個帶有刻度的晷盤和一根垂直于晷盤的晷針來顯示時間。太陽照射晷針，在晷盤上投下影子，根據(jù)觀察影子的位置和長度，人們可以確定時間。例如，在正午時，太陽位于最高點(diǎn)，影子最短，此時可以確定為中午。古時候，日晷被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、商業(yè)和科學(xué)等領(lǐng)域，幫助人們確定時間，也被用于推算天文參數(shù)。

近代太陽觀測

望遠(yuǎn)鏡

望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)極大地提升了人類觀測太陽的能力。1608 年， 荷蘭眼鏡商漢斯·利伯希提交了一份專利，描述了一種能讓使用者看清楚遙遠(yuǎn)物體細(xì)節(jié)的設(shè)備。伽利略使用這種望遠(yuǎn)鏡觀測了月球、木星等天體，接著發(fā)現(xiàn)了木星的四大衛(wèi)星，而后又順利觀測到了太陽黑子，據(jù)此提出了太陽存在自轉(zhuǎn)行為。這些發(fā)現(xiàn)對當(dāng)時的科學(xué)界產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，并為后來的天文學(xué)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

為了紀(jì)念伽利略對天文學(xué)做出的杰出貢獻(xiàn)，后人將他所使用的望遠(yuǎn)鏡類型稱為“伽利略望遠(yuǎn)鏡”，具體而言，是指物鏡是凸透鏡而目鏡是凹透鏡的望遠(yuǎn)鏡。

太陽譜線

除望遠(yuǎn)鏡之外，太陽譜線觀測也是重要的太陽觀測手段之一。1802 年，英國化學(xué)家威廉·海德·渥拉斯頓首次觀察到太陽光譜中的暗線。然而，他并未對這些暗線進(jìn)行深入研究。

后來，德國物理學(xué)家約瑟夫·馮·夫瑯和費(fèi)再度發(fā)現(xiàn)了這些暗線，并開始對其進(jìn)行系統(tǒng)性的研究和測量。他使用分光儀，在太陽光的光譜中發(fā)現(xiàn)了574 條暗線，并將這些線命名為夫瑯和費(fèi)線。

夫瑯和費(fèi)的研究成果為光譜學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。他的發(fā)現(xiàn)表明，太陽光譜中的暗線是由太陽大氣層中的元素吸收特定波長的光而產(chǎn)生的。通過分析這些暗線，可以確定太陽大氣層中存在哪些元素。

現(xiàn)代太陽觀測

太陽射電成像

太陽射電成像是一種利用射電波段觀測太陽的技術(shù)。那么射電成像和光學(xué)成像有什么區(qū)別呢？射電成像處理的電磁波長為3 毫米～40 米。可見光波成像處理的電磁波長范圍大約在400 納米～ 700 納米。射電望遠(yuǎn)鏡可以觀測到太陽日冕的豐富信息，尤其適用于研究太陽活動及其對日地空間環(huán)境的影響，且太陽發(fā)射的射電波可以透過云層，這使得射電成像可以不受氣象條件影響。

太陽與日球?qū)佑^測衛(wèi)星（SOHO）

進(jìn)入現(xiàn)代，人類觀測太陽的設(shè)備和手段愈發(fā)先進(jìn)：空間觀測等先進(jìn)技術(shù)開始嶄露頭角。其中，太陽與日球?qū)佑^測衛(wèi)星（SOHO）就是空間觀測技術(shù)的代表。SOHO 是一個在太空中飛行的超級觀測站，專門觀測太陽和它周圍的空間，收集著太陽活動的各種數(shù)據(jù)。

發(fā)射SOHO 的初衷是為了更全面地了解太陽，確定太陽內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)，了解更多關(guān)于日冕的知識，并找出太陽風(fēng)的發(fā)源區(qū)域及加速機(jī)制。

SOHO 配備了12 臺科學(xué)設(shè)施，例如大視場分光日冕儀（LASCO）、極紫外成像望遠(yuǎn)鏡（EIT）、邁克耳孫- 多普勒成像儀（MDI）和太陽紅外輻射與重力振蕩變化監(jiān)測儀（VIRGO），等等。

通過SOHO 在1998年拍攝到的太陽活動照片，我們可以看到日冕物質(zhì)拋射過程中令人驚嘆的螺旋結(jié)構(gòu)。SOHO 在空間天氣預(yù)測領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，極大提升了人類的空間天氣預(yù)測能力。截至2024 年3 月28 日，SOHO 總共發(fā)現(xiàn)了5000顆彗星，已經(jīng)超過了過去300 年內(nèi)發(fā)現(xiàn)的彗星數(shù)量總和。

SOHO 也是現(xiàn)代太陽物理學(xué)的基石，大量太陽物理學(xué)論文是基于SOHO數(shù)據(jù)發(fā)表的。

太陽射電成像觀測臺先接收來自太陽的射電波，然后將這些人眼看不見的射電波轉(zhuǎn)換為可見圖像。這些圖像可以顯示太陽表面和大氣層的不同特征，如耀斑、日冕物質(zhì)拋射等。這樣一來，科學(xué)家就可以研究太陽活動的性質(zhì)和變化，從而更好地理解太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和活動機(jī)制。此外，太陽射電成像還有助于研究太陽與其他恒星的不同之處，從而深化我們對恒星演化等宇宙學(xué)的理解。

“千眼天珠”——圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡

在四川省稻城縣一處海拔3820 米的開闊地，313 部直徑6 米的拋物面天線均勻排布，圍成一個直徑1 千米的大圓環(huán)，它就是我國的圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡，被當(dāng)?shù)鼐用裥蜗蟮胤Q為“千眼天珠”。圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網(wǎng)（子午工程二期）的標(biāo)志性設(shè)備之一，它的建成有望為我國太陽物理和空間天氣研究提供高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)。

圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡是目前全球規(guī)模最大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，不僅能監(jiān)測太陽的各種爆發(fā)活動，還能監(jiān)測太陽風(fēng)暴進(jìn)入行星際空間的過程，對理解太陽爆發(fā)機(jī)制、太陽風(fēng)暴的日地傳播規(guī)律、預(yù)測太陽活動對地球的影響具有重要作用。

太陽的未解之謎

太陽是一個復(fù)雜而龐大的天體，盡管科學(xué)家已經(jīng)對太陽進(jìn)行了大量的研究，但太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和活動機(jī)制仍然存在大量謎題。

其一是太陽內(nèi)部的能量來源。盡管太陽的能量來源于核聚變反應(yīng)是目前科學(xué)界的共識，但核聚變過程是如何進(jìn)行的，以及能量是如何從太陽內(nèi)部傳輸?shù)奖砻娴模匀皇谴獾目茖W(xué)問題。

其二是太陽的磁場。太陽有強(qiáng)大而復(fù)雜的磁場，影響著耀斑、日冕物質(zhì)拋射等太陽活動。然而，太陽磁場的起源和演化機(jī)制仍然不完全清楚。

此外，太陽與地球之間的關(guān)系也是一個令人感興趣的話題。太陽的活動對地球的氣候、磁場和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響。對于太陽活動對地球的長期影響，我們?nèi)匀徊荒芡耆斫猓写覀儾粩嗵剿鳎⒆龀鱿鄳?yīng)的預(yù)測和應(yīng)對。

太陽觀測的研究并不僅僅是為了滿足我們的好奇心，更是為了人類的生存和發(fā)展。太陽的活動對地球的影響深遠(yuǎn)，通過研究太陽，我們可以更好地預(yù)測和防范一些自然災(zāi)害，保障人類的生命安全。同時，太陽作為整個太陽系的核心，也是地球上幾乎一切生命賴以生存的能量來源。通過研究太陽，我們可以更好地了解生命的起源和演化。我們將繼續(xù)勇往直前，努力探索太陽的奧秘，為人類對宇宙的認(rèn)識貢獻(xiàn)力量。

作者簡介

雍藹媛 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心成都射頻科學(xué)與技術(shù)中心主管，曾獲“2024 年甘孜州科普講解大賽”二等獎。