太陽物理學(xué)將在未來至少20年內(nèi)繼續(xù)處于黃金時代

北京時間2月10日12:03，歐洲空間局(ESA)和美國國家航空航天局(NASA)攜手研制的“太陽軌道飛行器”(以下簡稱“太陽軌道器”)成功發(fā)射，它將首次給太陽南北兩極拍“正面照”，揭示太陽磁場的奧秘。這是繼2018年升空的“帕克”太陽探測器(以下簡稱“帕克”)之后，人類近期向太陽派遣的第二位使者。

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授、中科院太陽活動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任田暉激動地對科技日報記者表示：“1995年以來，人類共發(fā)射9顆太陽觀測衛(wèi)星。此外，地面上也有多臺太陽光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡，還有至少5顆太陽觀測衛(wèi)星蓄勢待發(fā)。在這些設(shè)施的加持下，太陽物理學(xué)正處于并將在未來至少20年內(nèi)繼續(xù)處于黃金時代!”

雙劍合璧

太陽提供的能量讓生命得以在地球上繁衍生息，但太陽的“性格”復(fù)雜多變，耀斑、日冕物質(zhì)拋射及它們所產(chǎn)生的高能帶電粒子等極端事件會給在太空作業(yè)的宇航員、人造衛(wèi)星乃至地球生命帶來危害，因此，更好地了解太陽的“一舉一動”非常重要。

田暉指出：“太陽還是一個天然的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室，對太陽的研究極大地促進(jìn)了等離子體物理學(xué)、粒子物理學(xué)等學(xué)科的發(fā)展。更重要的是，作為唯一可以進(jìn)行高空間分辨率觀測的恒星，太陽觀測對于我們了解其他恒星上的物理過程具有獨(dú)一無二的參考價值。”

據(jù)ESA網(wǎng)站介紹，“太陽軌道器”將近距離研究太陽，首次對太陽極區(qū)開展高分辨率觀測，讓人們窺視太陽兩極的“真容”，更好地理解日地關(guān)系。ESA科學(xué)主管君特·哈辛格說：“‘太陽軌道器’任務(wù)結(jié)束時，我們將比以往任何時候都更了解導(dǎo)致太陽行為不斷變化背后的神秘力量及其對地球的影響。”

NASA副局長托馬斯·楚比興說：“‘太陽軌道器’將與‘帕克’‘雙劍合璧’，刷新我們對太陽的認(rèn)識。”

“帕克”比“太陽軌道器”更近距離“觸摸”太陽，研究太陽風(fēng)如何產(chǎn)生，但它沒有相機(jī)給太陽拍照;而“太陽軌道器”與太陽距離適中，可對太陽遠(yuǎn)程拍照及原位測量，并首次觀察太陽兩極。NASA“太陽軌道器”科學(xué)家霍利·吉爾伯特說：“這兩大探測器的非凡冒險，可以幫助我們揭示太陽及其大氣層的奧秘。”

楚比興進(jìn)一步指出：“我們正邁入太陽物理學(xué)新時代!這些探測器將改變太陽研究的面貌，幫助宇航員在執(zhí)行‘阿耳忒彌斯’登月任務(wù)時更安全。”

各懷絕技

從古至今，人們對太陽一直充滿好奇，“夸父逐日”的故事流傳數(shù)千年不衰。太陽還有很多未解之謎。如太陽爆發(fā)是怎么產(chǎn)生的?日冕百萬攝氏度高溫是如何維持的?黑子周期是如何形成的?等等。為此，人類朝太陽派出了不少“使者”。

田暉說：“20世紀(jì)60年代到90年代初，美國、日本等國先后成功發(fā)射了多顆太陽觀測衛(wèi)星。自1995年來，人類不到3年就發(fā)射一顆太陽觀測科學(xué)衛(wèi)星，迄今已有9顆。包括‘太陽和日球?qū)犹煳呐_’(SOHO)、‘太陽過渡區(qū)與日冕探測器’(TRACE)、‘拉馬第高能太陽光譜成像探測器’(RHESSI)、‘日出’(Hinode)衛(wèi)星、‘日地關(guān)系天文臺’(STEREO)、‘太陽動力學(xué)天文臺’(SDO)、‘太陽界面區(qū)成像光譜儀衛(wèi)星’(IRIS)、‘帕克’(PSP)和‘太陽軌道器’。這些科學(xué)衛(wèi)星各個‘身懷絕技’，除TRACE和RHESSI已退役外，其他7顆衛(wèi)星都在軌正常運(yùn)行，為人類揭示太陽的奧秘。”

田暉介紹說，1995年發(fā)射、美歐聯(lián)合研制的SOHO衛(wèi)星能給太陽進(jìn)行“全身體檢”。它已完整覆蓋兩個11年太陽周期，在太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)、太陽磁場演化、日冕加熱、太陽風(fēng)起源、日冕物質(zhì)拋射等重要課題上極大地更新了我們的認(rèn)知，“可以說，SOHO衛(wèi)星對太陽物理的知識體系具有革命性的影響”。

2006年發(fā)射的Hinode衛(wèi)星項(xiàng)目由日本、美國、歐洲三方合作，其太陽磁場觀測、極紫外光譜測量和軟X射線成像觀測在當(dāng)時均達(dá)到世界最好水平，大大增進(jìn)了人們對太陽小尺度磁活動、日冕動力學(xué)等方面的認(rèn)識。

美國2013年發(fā)射的IRIS衛(wèi)星則主要關(guān)注太陽表面和日冕之間的色球?qū)雍瓦^渡區(qū)。這兩個層次在太陽大氣中的物質(zhì)和能量傳輸中占據(jù)關(guān)鍵位置。IRIS衛(wèi)星也首次實(shí)現(xiàn)了對太陽過渡區(qū)的直接成像，其觀測在過渡區(qū)動力學(xué)和低層大氣活動等方面取得了一系列突破性的進(jìn)展。

精彩繼續(xù)

田暉表示：“‘太陽軌道器’的成功發(fā)射，并不意味著人類探測太陽腳步的停歇。未來5年，人類還將發(fā)射至少5顆太陽探測衛(wèi)星：中國的‘先進(jìn)天基太陽天文臺’(ASO-S)、太陽探測雙超平臺技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星;印度的‘阿迪蒂亞一號’(Aditya-L1);NASA的‘統(tǒng)一日冕和日球?qū)悠裥l(wèi)星’(PUNCH)及ESA的‘普羅巴3號’(Proba-3)。”

田暉介紹，這5款太陽探測器也各負(fù)使命。ASO-S將觀測太陽爆發(fā)及驅(qū)動爆發(fā)的太陽磁場，也將同時觀測太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射，研究這兩者間的相互關(guān)系和形成規(guī)律。ASO-S擬于2022年前后升空;太陽探測雙超平臺技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星將通過高光譜掃描成像方法，在Hα譜線的不同波長位置實(shí)現(xiàn)全日面成像，該衛(wèi)星計劃2020年發(fā)射。

印度空間研究組織(ISRO)將于2021年前后發(fā)射該國首顆太陽探測衛(wèi)星Aditya-L1，主要研究日冕動力學(xué)，兼具觀測太陽色球?qū)雍凸馇驅(qū)拥热蝿?wù)。

PUNCH任務(wù)是NASA最新批準(zhǔn)立項(xiàng)的一顆衛(wèi)星，它將直接關(guān)注日冕及其如何產(chǎn)生太陽風(fēng)，還將跟蹤日冕物質(zhì)拋射——其可驅(qū)動地球附近的災(zāi)害性空間天氣事件，如地磁暴。PUNCH衛(wèi)星計劃2023年發(fā)射。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)2月10日報道，“太陽軌道器”成功發(fā)射之后，ESA擬再接再厲，派遣兩顆衛(wèi)星組成的Proba-3任務(wù)觀測日冕。Proba-3將創(chuàng)造人工日全食，使天體物理學(xué)家們未來能持續(xù)觀察日全食6小時而非現(xiàn)在的短短幾分鐘，從而獲得日冕的清晰圖像，揭示其百萬攝氏度高溫及爆發(fā)活動的奧秘。Proba-3計劃于2022年中期發(fā)射。

田暉進(jìn)一步介紹：“除上述天基太陽探測器，地面上還有多臺光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡，包括目前性能最強(qiáng)的太陽望遠(yuǎn)鏡丹尼爾·井上太陽望遠(yuǎn)鏡，我國的新真空太陽望遠(yuǎn)鏡(位于云南撫仙湖)和明安圖射電日像儀(位于內(nèi)蒙古明安圖)等。”

“這些太陽觀測設(shè)施，讓太陽物理學(xué)黃金時代的精彩得以繼續(xù)。此外，我國太陽物理界也正在大力推進(jìn)地面大口徑太陽望遠(yuǎn)鏡和太陽立體探測衛(wèi)星計劃，如能成功立項(xiàng)，將大大加強(qiáng)我國太陽物理學(xué)研究在國際上的地位。”田暉滿懷期待地說。

(記者 劉 霞)

關(guān)鍵詞： 太陽物理學(xué)