對太陽我們了解得還不夠

太陽軌道探測器可以在太陽自轉時在表面的某些位置上空懸停。（ESA/圖）

2020年4月24日是哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）升空30周年紀念日，全世界的天文學家和天文愛好者都在慶祝這個具有裡程碑意義的日子。30年來，哈勃太空望遠鏡成果豐碩，徹底改變了我們對宇宙的認識。

但在以哈勃太空望遠鏡為代表的一批探測器望向宇宙深處的同時，我們其實在很長時間裡都缺乏對太陽的足夠了解。太陽作為太陽系的母星，對人類、地球上的其他生命以及整個太陽系都有著不可替代的意義，因此研究太陽的形成、演化和對地球的影響就成為天體物理學家的重要任務之一。不過，伴隨兩臺太陽探測器在2018年和2020年先後發射，我們有望以前所未有的水平了解這個對人類來說最重要的天體。

探索太陽兩極

北京時間2020年2月10日，由歐洲空間局（ESA）領導並和美國國家航空航天局（NASA）合作的太陽軌道探測器（Solar Orbiter）在美國佛羅裡達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空。如果任務進展順利，太陽軌道探測器將成為首個拍攝太陽南北極地區圖像的探測器，從而幫助研究人員獲得對太陽更加完整的了解。

太陽軌道探測器是ESA正在實施的名為「宇宙視野2015-2025」（Cosmic Vision 2015-2025）的科學計劃的一部分。發射這樣一個探測器的想法最早始於1982年。2000年，ESA同意啟動這個項目並在2003年進行了再次確認。ESA在2012年同製造商籤訂合同。探測器的製造前後花費了6年時間，並經過1年多的測試。ESA最早計劃在2017年把探測器發射升空，後經過幾次推遲最終確定在2020年。

太陽軌道探測器重1800千克，翼展18米，攜帶10種科學設備，包括磁力計、高能粒子探測儀和太陽風層成像儀等。依靠這些設備，探測器可以實現兩種研究模式：一種是測量探測器附近的空間環境，包括電場、磁場和粒子等；另一種是從遠處拍攝太陽的圖像，包括太陽大氣和物質的噴流。探測器距離太陽最近時同太陽的距離只有大約4200萬千米，屆時將位於水星的軌道內。特製的隔熱板可以經受500℃高溫的考驗，先進的隔熱技術將對探測器攜帶的科學設備進行保護。

探測器成功發射後，項目團隊首先會對其進行為期大約3個月的調試，以驗證探測器攜帶的科學設備都能正常工作。此後，探測器還需要將近2年的時間才能進入環繞太陽的工作軌道，這個特殊的軌道是探測器能夠拍攝太陽南北兩極圖像的關鍵。

日地平均距離約為1.5億千米（1AU），這個距離遠小於地球到冥王星的距離。但是，把探測器向太陽發射並不比把探測器向冥王星發射更簡單。地球時刻都在高速繞太陽旋轉，從地球上發射的探測器需要減速，不斷降低軌道，才能接近太陽。這個減速過程通過探測器自身的發動機無法完成，因此在接近太陽的過程中，探測器不是徑直飛向太陽，而是首先需要3次藉助行星的引力彈弓效應實現減速。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減速以及2021年11月依靠地球的引力彈弓效應減速。

在利用地球的引力彈弓效應減速後，探測器將在2022年首次飛掠太陽，此時距離太陽的距離約為日地距離的1/3。在隨後的任務期內，探測器還會6次利用金星的引力彈弓效應不斷接近太陽，並將自己從太陽系的黃道面中甩出，進入環繞太陽的高橢圓軌道。

在太陽系中，行星環繞太陽運行的軌道基本都在一個平面內，這個平面和太陽自身的赤道面只有很小的夾角。因此，地球上的望遠鏡或者衛星上的望遠鏡對太陽進行觀測時，對太陽赤道地區有比較多的了解，對太陽的南北極地區的觀測則非常有限。ESA和NASA曾經聯合在1990年10月發射了尤利西斯（Ulysses）太陽探測器，這個探測器一直工作到2009年6月。尤利西斯探測器曾經在傾斜軌道上對太陽兩極附近的空間區域進行測量，但是尤利西斯探測器距離太陽太遠而且也沒有攜帶相機，所以無法對太陽的兩極地區進行拍攝。

太陽軌道探測器在藉助引力彈弓效應進入高橢圓軌道後，可以在計劃中的5年的任務期內，到達與太陽赤道面的傾角超過17°的位置；在根據任務需要而可能進行延伸的任務期內，傾角最大可以達到33°。這樣探測器就能實現對太陽南北兩極的觀測和拍攝。同時，太陽軌道探測器的最高速度幾乎可以達到太陽的自轉速度，因此探測器可以在太陽自轉時在表面的某些位置上空懸停，進而研究太陽的某個特徵是如何隨時間演化的。

長期以來，研究人員了解到太陽活動的周期為11年左右，但是描述這一周期的模型卻始終無法與觀測結果匹配，重要原因就是缺少太陽兩極地區的數據。太陽軌道探測器獲得的信息將成為完善太陽磁場模型的關鍵拼圖，使研究人員了解驅動太陽活動的力量。

研究人員通過探測器獲得的數據可以研究太陽內部的工作機制，觀測太陽噴發出的高能粒子並且追蹤這些粒子通過太陽風的形式在太陽系中的運動，以便更好地理解和預測空間天氣。太陽風暴對電網、航空運輸和通信都會造成影響，並且威脅到進行太空行走的航天員的安全。發生在1859年的卡林頓事件被認為是有記錄以來最強的太陽風暴，此後對人類生活造成嚴重影響的太陽風暴也屢見不鮮。如果能夠進行及時、準確的空間天氣預報，我們就可以提前關閉通信設備、合理規劃航班以及停止航天員出艙作業，將太陽風暴對我們的影響降至最低。

對此，ESA科學主任岡瑟·哈辛格（Günther Hasinger）就在ESA官網上表示：「人類一直都很熟悉太陽對地球上的生命的重要性，觀察太陽並且仔細研究太陽是如何工作的。但同時我們也知道，強大的太陽風暴有可能打亂我們的日常生活。到太陽軌道探測器任務結束的時候，我們將對造成太陽行為變化以及它對我們地球的影響的背後力量有更多的了解。」

NASA科學副主管託馬斯·佐布臣（Thomas Zurbuchen）也在NASA官網上表示：「太陽軌道探測器將和其他近期正在執行的NASA任務共同研究太陽，我們也將獲得對這顆恆星前所未有的新知識。我們將同歐洲合作夥伴一起進入一個太陽物理學研究的新時代。」

太陽軌道探測器發射升空圖。（ESA/圖）

抵近觀察太陽

太陽軌道探測器的發射是近年來蓬勃發展的太陽研究的一個縮影，也是人類探索太陽的最新嘗試。除了合作發射尤利西斯探測器外，ESA和NASA曾經在1995年12月合作發射了「太陽和太陽風層探測器」（Solar and Heliospheric Observatory，SOHO）。這個探測器發射時計劃工作2年，但到目前為止已經工作了超過24年的時間，任務期還有可能繼續延長至2022年。

託馬斯·佐布臣提到的NASA最近在執行的太陽任務中，一個關鍵部分就是帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）。北京時間2018年8月12日，帕克太陽探測器發射升空飛向太陽。這個探測器的任務是對日冕和太陽風進行研究，從而加深我們對於太陽物理的認識。探測器以現年92歲的美國天體物理學家尤金·帕克（Eugene Parker）命名，正是他在1958年前首先提出了太陽風理論。

如果任務一切按計劃順利進行，帕克太陽探測器將創造多項第一。比如說，它將成為有史以來距離太陽最近的探測器。在任務周期內，探測器距離太陽最近時的距離只有大約600萬千米，這個距離差不多是此前距離太陽最近的探測器太陽神2號（Helios B）的1/7。由於日冕的範圍從太陽表面向外延伸超過1000萬千米，因此帕克號也將成為首個進入日冕層進行觀測的探測器。

帕克號在任務周期內能夠24次飛掠太陽，這樣探測器就有足夠的時間來收集數據。而在最後3次接近太陽的時候，帕克號的最高速度將會達到200千米/秒，成為有史以來速度最快的探測器。

在發射之後這一年多的時間裡，帕克太陽探測器已經給我們帶來了很多驚喜。北京時間2019年12月5日凌晨，NASA向媒體發布了研究人員根據帕克太陽探測器的前3次飛掠得到的首批研究成果， 4篇研究論文也於同日發表在《自然》（Nature）上。2020年2月3日，《天體物理學雜誌》（The Astrophysical Journal）出版了一期以帕克號為主題的增刊，發表了47篇根據帕克太陽探測器的觀測數據撰寫的論文。這些論文同樣基於帕克號的前3次飛掠，有些是對《自然》上發表的論文進行了補充，有些是新近完成的研究。在這些論文之前，美國空間物理學家瑪西亞·紐格伯爾（Marcia Neugebauer）撰寫了一篇引言，正是她首次探測到帕克提出的太陽風。

在2019年底發表於《自然》上的這4篇論文中，研究人員報告了初步的研究成果。他們發現，雖然太空中充滿塵埃，但是在靠近太陽的空間區域內，因為塵埃被加熱成氣體，因此可能存在無塵區域。數據顯示，從距太陽大約1100萬千米處到約600萬千米處，塵埃逐漸變少。真正的無塵區域可能在距離太陽300萬-400萬千米的區域，預計2020年帕克太陽探測器可以到達這個區域。

研究人員在地球附近觀測到的太陽風是相對均勻的等離子體流。但是太陽風到達地球時已經經過了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的機制的很多信息都已經被抹掉。帕克太陽探測器在太陽附近的太陽風中觀測到了截然不同的情況。等離子體中的磁場會發生快速的變化，同時有突然而快速移動的物質噴射，這些都使太陽風同在地球附近時相比更加不穩定。這些細節是幫助研究人員理解太陽風如何在太陽系中傳播能量的關鍵信息。

其中吸引研究團隊目光的一種特別的現象是太陽的磁力線發生令人意想不到的變化，會在幾秒鐘到幾分鐘之內發生180°的轉向。在《自然》上的一篇論文中，研究人員進行了初步的探討，而在《天體物理學雜誌》增刊的一篇論文中，他們對此進行了進一步的分析，不過目前還無法解釋這種現象。除了先後發表的4篇和47篇論文外，更多根據前3次飛掠獲得的數據而進行的研究還將陸續發表成果。

太陽軌道探測器進入發射前的準備工作。

迎來黃金時代

ESA和NASA在太陽研究領域內建立了緊密的合作，各自主導的一臺探測器同其他在軌探測器和地基觀測設備配合，可以勾勒出一幅更加完整的太陽物理圖像。太陽軌道探測器和帕克太陽探測器有不同的特點。帕克太陽探測器比太陽軌道探測器距離太陽近得多，以更好地研究太陽風的起源，但是帕克號沒有攜帶直接給太陽拍照的照相機。而太陽軌道探測器攜帶的設備既能對太陽進行遠距離測量，又能觀測探測器周圍的空間環境，這些能夠為解讀帕克太陽探測器的觀測數據提供更多的信息。太陽軌道探測器上搭載的相機可以拍攝帕克太陽探測器的位置，這樣在帕克號測量等離子體時，太陽軌道探測器會在後面為它拍照。從兩臺探測器互補的數據中，研究人員可以發現更多的科學內容，實現一加一大於二的效果。

NASA太陽軌道探測器項目科學家霍利·吉爾伯特（Holly Gilbert）表示：「太陽軌道探測器和帕克太陽探測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。兩項任務和它們令人驚嘆的技術進步的強有力結合將把我們對太陽的理解推向新的高度。」

研究人員通過對太陽進行詳細研究，不僅可以解答眾多有關太陽自身的問題，更好評估太陽活動對人類生活和未來太空探索任務的影響，還有望加深對恆星演化機制的認識。同時，在人類已經發現數千顆地外行星的情況下，這些研究還有助於科學家推測圍繞類日恆星運行的地外行星上是否存在生命。毫無疑問，太陽物理學研究正在進入一個黃金時代。

南方周末特約撰稿 鞠強