太陽，是與我們關係最密切的一顆恆星，也是唯一一顆可以詳細研究的恆星。它為我們帶來了光明和溫暖，但同時也會對地球產生重大影響。我國第一顆綜合性太陽探測衛星——先進天基太陽天文臺（ASO-S）將於2022年發射升空，揭示太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質拋射（一磁兩暴）的形成及相互關係。
大約46億年前，在距離銀河系中心約2.6萬光年之處的螺旋臂上，一團分子雲開始在自身的引力作用下坍縮，並逐漸形成了我們今天所熟悉的太陽。
從古至今，太陽引發了人類太多的思考，我們對這顆耀眼的恆星充滿了好奇：它為什麼會發光？它是永恆存在的嗎？它的結構是什麼？它有哪些顯著特徵？它會對地球造成哪些影響？為了回答這些問題，科學家不僅發展出了相應的理論基礎，還建造或發射了各種探測器，層層揭開太陽的神秘面紗。
圖片素材：銀河系：NASA-JPL
太陽為什麼會發光？
太陽主要由氫組成，它之所以能夠在幾十億年中一直穩定地發光發熱，是因為其內部一直在持續進行氫聚變成氦的熱核反應。我們可以把這太陽內部的聚變反應想像成不斷的有氫彈在持續爆炸。每一秒，太陽核心就有6億噸氫元素聚變成氦元素，將近400萬噸的物質轉化成能量。
更具體地說，在太陽的內部，質子會通過一系列的反應聚變成氦-4原子核，從而釋放出能量。這是一個被稱為質子-質子鏈（pp鏈）的聚變過程，在這個過程中，也會釋放出正電子（電子的反粒子）、伽馬射線和中微子。理論表明，太陽的99%的能量都是通過pp鏈的一系列聚變反應釋放的。2018年，位於義大利中部的亞平寧山脈地下深處的Borexino實驗通過測量來自太陽的中微子，確認了pp鏈是太陽的主要能量來源。
太陽內部另一個重要的聚變反應過程被稱為碳氮氧循環（CNO循環），產生的核能約為1%。2020年11月，同樣是Borexino實驗，通過測量中微子，首次確認了CNO循環的存在。
pp鏈與CNO循環是太陽的主要聚變過程。
太陽是永恆存在的嗎？
萬物皆有其生命周期，太陽也不例外。只是相比於太陽的演化史，人類歷史不過滄海一粟，所以每天東升西落的太陽才會被誤以為是亙古不變的。
根據太陽中現有的氫氦含量對比，科學家計算出太陽還將繼續「燃燒」約50億年。屆時，太陽的外層將膨脹得非常大，變成一顆巨大的紅巨星。那些靠近它的行星，如水星、金星，甚至是地球都將被這個「紅色大胖子」吞沒。太陽的生命在「夕陽紅」階段還能持續數百萬年，然而一旦太陽聚變了它所可能聚變的最重元素，它的外層大氣最終會爆炸飛散，形成壯麗的行星狀星雲，其核心則會轉變成一個緻密天體——白矮星。
白矮星是銀河系中絕大多數類太陽恆星的宿命。然而，我們不必為此過分擔心，因為這將發生在遙遠的數十億年後。現在我們把目光集中到正當壯年的太陽上。
太陽的結構是什麼？
與地球相比，太陽非常之大，其半徑約為70萬千米，是地球半徑的109倍。根據不同物理特性，天文學家將太陽的結構分為好幾個層次：
熱核聚變反應發生在太陽的核心，那裡的溫度、壓力和密度都極高。熱核聚變產生的能量以光子形式存在，光子首先會通過輻射層，再在對流層以強對流形式將能量傳遞到外層大氣。在太陽中心產生的光子想要逃離太陽實際上是非常艱難的，需要耗時數萬年。而太陽中微子卻可以在約8分鐘的時間就完成逃離並抵達地球，這是因為它們幾乎不與物質相互作用，且能以接近光的速度傳播。這也是為什麼Borexino實驗會通過探測中微子來探索太陽的核心。
從太陽的結構看，也許你會認為隨著距離核心越來越遠，溫度也會逐漸下降，正如太陽表面的溫度遠遠低於核心的一樣。但出乎意料的是，太陽高層大氣的溫度分布與內層大氣正好相反，越往外溫度越高，從色球層底部（~4000度）逐漸增加。色球高層溫度可以達到幾萬度，但更更令人驚訝的是，最外層的日冕溫度竟高達百萬度！這種反常的溫度分布被稱為「日冕高溫之謎」，至今仍是太陽物理學中最大的謎題之一。
太陽有哪些顯著特徵？
仔細觀察太陽（在任何時候都不要直接用眼睛去看太陽，即使是日食期間），就會發現太陽具有豐富的現象，其中一些特別顯著的特徵：
太陽黑子：這是太陽表面的黑斑，含有不斷變化的強磁場。早在2000多年前，中國古代就有黑子的相關記錄。到了1610年，伽利略利用自製的望遠鏡觀測太陽時，確認了黑子的存在。經過幾百年的連續觀測統計，我們能夠很明顯地看到黑子的數量和位置呈現出的周期性變化，這就是著名的太陽11年活動周期。
太陽耀斑：這是一種強烈的輻射爆發，非常明亮，可以持續幾分鐘到幾小時。耀斑是太陽系中最激烈的爆炸事件，它所輻射出的光的波長橫跨整個電磁波譜（從射電波到伽馬射線）。
日冕物質拋射：太陽的外層大氣日冕會突然猛烈地釋放出等離子體和磁場，其蘊含的能量和耀斑相當。一個巨大的日冕物質拋射可包含數十億噸的物質，這些物質會被加速到極高的速度衝向太空，在其旅途中可與任何行星或太空飛行器發生撞擊。
圖片素材：日冕物質拋射-ESA&NASA/SOHO、太陽耀斑-SDO、太陽黑子-NSO/AURA/NSF
無論是黑子、太陽耀斑亦或日冕物質拋射，它們的根源都是太陽磁場。變化的太陽磁場不僅可以在光球層產生黑子，還能觸發耀斑和日冕物質拋射。太陽磁場、耀斑和日冕物質拋射三者簡稱為「一磁兩暴」。
太陽的活動會對地球造成哪些影響？
儘管太陽距離地球平均達1.5億公裡，但一旦太陽「發威」，耀斑和日冕物質拋射產生的磁雲會裹挾著大量帶電高能粒子，直奔地球而來，對地球環境，尤其是與現代生活息息相關的電磁環境造成嚴重破壞。
2003年萬聖節期間，太陽不甘寂寞充當了一次「搗蛋鬼」的角色，結結實實給地球搗了一次亂，使歐美的GOES、ACE、SOHO和WIND等一系列科學衛星都遭受了不同程度損害，導致全球衛星通訊受到幹擾，GPS全球定位系統受到影響，定位精度出現了偏差，致使地面和空間一些需要即時通訊和定位的交通系統遭到不同程度的癱瘓。這次太陽事件也被稱為「萬聖節風暴」。
鑑於這些情況，持續地對太陽活動進行監測是非常有必要的。據計算，一旦發生太陽耀斑、日冕物質拋射等爆發活動，科學家可以至少提前40個小時得到信息，從而及時做出相關的防護舉措，以避免對人類生存環境造成破壞。
如何觀測太陽？
太陽會釋放出不同波長的光，但地球的大氣並非對所有的波段都是透明的，在地面上只能觀測到可見光和紅外光，以及有限的紫外光和射電輻射，它們在寬廣的太陽輻射波譜中只佔很小的一部分。所以，只有將探測器發射到太空中去，避開地球大氣的影響，從各個波段研究太陽，才能夠描繪出一幅完整的圖像。
通過地面和太空中不同波段的望遠鏡，可以研究太陽的不同細節。| 圖片素材：The University of Chicago
自上世紀60年代以來，世界各國已經先後發射了70多顆太陽探測相關衛星進入太空。2018年，備受矚目的帕克太陽探測器發射升空，它以前所未有的近距離對太陽進行觀測，並已經獲取一定的成果。在這場太陽的探索之旅中，我國在太陽探測衛星方面一直缺席，直到ASO-S的出現！
ASO-S是中國科學院戰略性先導專項「空間科學（二期）」啟動的四項衛星工程之一。這也是我國第一顆綜合性太陽探測衛星，計劃於2022年趕在下一個太陽活動峰年前夕發射，預期在軌運行不少於4年。
ASO-S成功發射後，將詳細記錄第25個太陽活動周的「太陽風暴」。屆時，圍繞ASO-S觀測結果的研究將成為國際熱點，科學家在研究「一磁兩暴」自然規律的同時，也會及時預報太陽爆發對人類的影響，以造福全人類。
本文於2020年12月31日，首發於微信公眾號「中國科學院紫金山天文臺」
參考來源：
https://www.nao.ac.jp/en/news/science/2020/20201126-mizusawa.html
封面圖片素材來源：
NASA’s Goddard Space Flight Center