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太陽還有哪些未解之謎?科學家們計劃怎樣探索太陽?

太陽還有哪些未解之謎?科學家們計劃怎樣探索太陽?

2021年10月21日 05:34 來源:光明日報參與互動參與互動

  逐日未來時

  恒星如何演化?星系怎樣形成?宇宙有沒有邊界……隨著科學技術的發展,人們對宇宙的認識逐步拓展,這些名詞正日漸為大眾所熟知。而“羲和號”太陽探測科學技術試驗衛星的成功發射卻讓人們認識到,其實我們對太陽系的了解還遠遠不夠。太陽這個與人類存續息息相關的恒星,還有哪些未解之謎?科學家們計劃怎樣探索太陽?

  太陽的三大未解之謎

  太陽是距離地球最近的恒星,為地球生物提供賴以生存發展的光和熱。同時,太陽對地球有巨大影響,其總輻射變化(緩慢、時間尺度大)調控地球長期氣候變化,太陽耀斑等劇烈活動(劇烈、快速)導致的太陽風暴則可能對航空航天、導航通訊等高技術系統及遠距離輸油、輸電、輸氣等系統造成災害性后果。

  關于太陽還有很多重大的未解之謎,其中最主要的有三大科學問題。

  第一個問題:太陽活動為什么會有周期性?

  太陽活動現象的原動力來自太陽上的磁場,其強磁場結構的表征是太陽黑子,也是太陽光球上的相對低溫區域。太陽黑子有著11年的周期,其長期變化和地球氣候密切相關,例如氣候學上的小冰河時期(約1300年—1850年間),太陽活動顯著弱于后續年代的平均水平。不僅如此,太陽黑子的活動對地球磁場和無線通信也有很大影響。1859年發生的“卡林頓”太陽耀斑事件,導致了劇烈的地磁擾動并嚴重破壞了當時人類社會的高技術系統——全球電報網絡,使得人類第一次認識到太陽活動對地球空間環境的影響。

  1908年,美國天文學家海耳發現太陽黑子是太陽上的強磁場,第一次證實了宇宙天體中磁場的存在,也揭示了太陽活動源自太陽磁場。然而,太陽磁場是如何產生的?太陽磁場主導的太陽活動為什么會有周期性的變化?這些問題被稱為太陽活動周期起源之謎,這是太陽這個高度非線性和復雜系統的本質問題,目前科學界仍然不能給出明確解釋,被《科學》雜志列為當代人類社會面臨的125個最前沿科學問題之一。

  第二個問題:日冕為什么會那么熱?

  和地球一樣,太陽也可從內到外分成很多層次,分別為日核(其溫度約1500萬℃)、輻射區(約700萬℃)、對流區(約200萬℃)、光球(數千℃)、色球(數千至數萬℃)、日冕(百萬℃)。可以看到,太陽的溫度結構和地球越往外溫度越低明顯不同,太陽大氣最外層的日冕呈現反常的高溫狀態,這違背了熱力學第二定律,如何解釋日冕的加熱機制是天體物理的重大科學難題,被《科學》雜志稱為天體物理學中“八大未解天文之謎”之一。

  第三個問題:如何對太陽活動的日地物理傳播過程和行星際效應進行實時觀測和預報?

  這是保障近鄰空間的高技術設備和深空探測順利進行的至關重要的應用需求。1989年3月,狂暴的日冕物質拋射引發了極強的地磁爆,導致加拿大魁北克省大范圍停電事件。在這次磁暴中,魁北克省整個電網在90秒內全面癱瘓,造成直接經濟損失約5億美元。2003年10月的重大太陽活動事件,造成全球范圍短波通訊中斷,超視距雷達、民航通訊中斷,瑞典電網中斷1小時,GPS導航出現故障,多顆科學衛星數據丟失。美國國家航空航天局(NASA)《太陽物理以及空間物理發展報告》中也明確指出,太陽探測主要目標是為了更好地理解日地系統、預測空間環境變化及其產生的社會影響。因此,描繪太陽活動在日地空間傳播和影響的完整物理圖像,是當代日地物理最前沿的科學問題,也是各個科技大國的迫切需求。

  在上述三大科學問題中,磁場都起著至關重要的作用。事實上,對于太陽和恒星磁場自身性質的認識也是一個重要的科學問題。但是受到目前的觀測能力、技術手段等局限,人類對太陽磁場的了解還不夠深入。這就牽引出了天體物理的另一個基本問題:恒星大氣中的纖維化輻射磁對流過程。

  除了上述科學問題,了解太陽還有很多重要用途。例如,在宇宙中尋找人類的另一個棲息地——宜居行星,并非“有水”“有大氣”那么簡單,其中一個重要方面就是需要確定宿主恒星對宜居行星的空間天氣影響。而要開展這些研究,將“太陽作為一個恒星的整體空間天氣行為”研究就顯得尤為重要,它是系外行星空間天氣宜居性研究的基礎。“不識廬山真面目,只緣身在此山中”,目前,這方面的研究還亟待加強。

  太陽探測的國際競賽

  無論對于科學技術的發展,還是國家安全,太陽探測都是如此重要,已經成為各國天文學界、空間物理學界等領域的競爭焦點。

  相較于天文學其他領域,太陽觀測的特點具體可以簡述為“三高一精加成像”,也就是高時間分辨率、高空間分辨率、高光譜分辨率、精確的偏振(磁場)測量、成像觀測,當然天文學其他領域的觀測也同樣強調這些指標,不過那些指標往往比太陽觀測追求的指標有數量級、甚至很多個數量級的差別。太陽物理研究也正在和其他天文學科進行廣泛和深入的交叉。例如將太陽發電機模型的概念引入到恒星、星系發電機過程用于解釋恒星和星系的磁場起源和演化;用太陽耀斑標準模型和日冕物質拋射的概念來解釋恒星耀發和星冕物質拋射;將日地相互作用模型應用到理解系外行星大氣中生命信號探索。太陽物理研究是能夠從物理學的基本原理和方程出發,從頭構建描述等離子體中三維輻射磁流體模型的研究學科。

  太陽觀測永遠都在追求高時間分辨率來看清演化的詳細過程,追求大口徑以提高分辨率來看清演化的空間細節,追求高光譜分辨率以探尋更細致的太陽大氣輻射過程,追求高偏振精度以獲得更精確的太陽磁場測量結果。

  為了達到這樣的目的,各國科研人員都使出了渾身解數。

  在地球上,地面太陽觀測具有升級靈活、成本較低、可持續性強的特點。進入21世紀,國際上已經有數臺一米級的太陽光學望遠鏡投入運行,包括瑞典1米SST、我國1米NVST、德國1.5米GREGOR等。目前國際上最先進的地基太陽望遠鏡是美國的4米DKIST。它已經開始試運行,預計將是未來10年國際最重要的太陽光學觀測設備。我國即將投入試觀測的1米中紅外望遠鏡AIMS將在磁場測量精度方面居于國際領先水平,相關科學成果同樣值得期待。未來規劃方面,可以媲美或者超越DKIST的項目以我國的8米CGST、歐洲4米EST為代表,但均處于推進立項階段。

  但地球大氣會對天體輻射有吸收作用,甚至導致很多波段在地面無法開展觀測;大氣湍流會限制觀測分辨率及降低測量精度;晝夜交替導致觀測不連續……為了彌補這些短板,空間天文觀測已經成為了未來競爭的主舞臺。

  空間觀測對天文學而言有無與倫比的優越性——連續、穩定、全波段、分辨率和觀測精度不受大氣影響等。空間太陽探測伴隨著人造衛星上天而興起,到20世紀90年代進入黃金時期,多個重量級太陽衛星發射,取得諸多重要科學成果。近年來,隨著帕克太陽探測器PSP首次實現深入太陽大氣層探測、太陽軌道器Solar Orbiter實現偏離黃道面的成像觀測,太陽觀測研究將進入一個新的發展時期。

  這里,我們想著重介紹中國的太陽物理研究。日前成功發射的太陽探測科學技術試驗衛星“羲和號”,就是我國太陽探測的重要成果之一。改革開放四十多年來,我國太陽物理研究水平已經從跟蹤發展到了并行、局部先進的地步。20世紀80年代開始,以我國科學家自主研制的具有國際先進水平的太陽磁場望遠鏡為引領,并配合其他一些各具特色的觀測設備,中國的太陽物理逐步躋身國際先進行列,綜合研究實力位列前茅。與其他國家相比我國太陽物理研究尤其是地基實測太陽觀測研究形成了獨立自主的觀測能力,較少有“卡脖子”技術,甚至能向國外同領域輸出先進的太陽觀測設備和儀器。

  但也要承認,與國際空間太陽探測的最高水平相比,我國的空間太陽探測與國際差距巨大——雖然我國科學家曾相繼提出了觀測太陽的“天文衛星1號”計劃、“空間太陽望遠鏡”計劃、在日地拉格朗日L1點對太陽進行綜合探測的“夸父”計劃,但這些計劃終因各種原因未能實施。

  但我們已經開始追趕的腳步——我國的風云氣象衛星已發布了中國第一次的太陽極紫外觀測圖像,借助“雙超”高技術衛星平臺搭載太陽Hα望遠鏡的“羲和號”已經成功升空,這些事件標志著我國開始了追趕國際先進行列的歷程。2017年,中科院空間科學先導專項正式啟動了“先進天基太陽天文臺”衛星工程ASO-S項目。目前,ASO-S項目已經轉入正樣研制階段,將于2022年發射。

  太陽探測的未來競爭焦點

  在美歐成功實施了里程碑性質的PSP和Solar Orbiter以后,國際相關領域的探測熱點聚焦到了太陽探測的最后一塊空白——太陽極區的探測。

  無論天基還是地基觀測,當我們身處黃道面的時候,由于投影效應和臨邊昏暗效應等,我們對太陽極區的觀測非常困難。這種困難相當于兩個個頭差不多的人看不見對方的頭頂。目前人類尚未實現過對太陽極區的正面成像觀測,Solar Orbiter雖然偏離了黃道面,但其偏離角度只有二十多度,即便任務末期計劃提高到34度,兩者的高度差也不足以看清另一個的頭頂。

  研究表明,太陽極區的磁場和流場在太陽活動周演化中起著至關重要的作用。完善這方面的觀測數據,從而完成有關太陽活動周起源的“發電機模型”的最后一塊觀測拼圖,有望為這一科學問題的研究帶來重大突破。同時,起源于極區的高速太陽風,是構成日地空間環境聯系的核心要素,目前人類對其起源機制和過程知之甚少。極區探測同樣可為太陽活動的日地物理傳播過程和行星際效應方面的研究帶來巨大進展。

  由于這些重大科學機遇,國際空間探測的下一個競爭熱點必然是太陽極軌探測。目前,歐美的空間科學發展規劃都提出了太陽極軌探測的設想。我國早在10年前的《月球與深空探測》規劃中就提出了開展太陽極軌探測的項目建議。目前,我國在這方面預研處于和國際齊平乃至略微領先的地位,再考慮到美歐PSP和Solar Orbiter剛實施不久,中國具備了率先實施的絕佳機會,而項目一旦成功,必將使我國的空間太陽探測實現快速超車。同時,在太陽活動周起源、高速太陽風起源等重大科學問題研究中搶占先機。

  國際空間太陽探測的另一個競爭熱點是針對太陽活動的日地物理因果鏈監測。在黃道面(如能聯合太陽極軌觀測更佳)安放多顆衛星,實現對太陽-地球空間的全方位立體探測,力爭理解日地空間這個超級復雜系統的行為和機理,一方面可以滿足國家在日地空間環境監測預報方面的戰略需求,另一方面為系外行星空間天氣宜居性的研究提供觀測和理論基礎。我國也已經啟動了與這方面有關的多個研究計劃,處于國際競爭的第一集團,同樣能為重大科學問題研究帶來突破性進展。

  至于太陽物理中有關太陽磁場本身性質、日冕加熱等科學問題,相較于前述幾個方面,屬于更基礎的科學問題。太陽磁場內稟性質研究,其實是太陽磁場測量歷史中的一個世紀難題,攻克這個難題需要實施空間大口徑太陽光學望遠鏡計劃。而日冕加熱問題,則需在此基礎上發展新的觀測理論和方法,比如突破日冕磁場測量的技術瓶頸。我國已在這方面開展一些新嘗試,有可能帶來一些驚喜。

  得益于國力的大幅度提升,中國已經具備了在重大科學問題探索上投入的經濟實力;而依靠國家探月和深空探測、載人航天等帶來的硬實力提升,我國也已經具備了實施重大太陽探測任務的技術實力。時不我待,期待中國的太陽觀測研究盡早步入世界之巔。

  (作者:鄧元勇 楊尚斌,分別系中國科學院國家天文臺研究員、副研究員)

【編輯:苑菁菁】
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