李會超:沒有自己的太陽觀測衛星,中國錯失前沿性原創發現

【文/觀察者網專欄作者  李會超】

除了給予地球光和熱外，太陽也已另一種方式影響著我們的地球。一種被稱作「太陽風」的高速等離子體流時刻從太陽上湧出，並向太陽系的深處奔去。當它到達地球附近時，會與地球的磁場發生作用。強烈的太陽風暴會引起地磁場的劇烈變化，對航天、供電、通訊、航空、導航等一系列領域和技術系統產生災害性的影響。據估計，如果超強太陽風暴正面襲擊地球，僅難以修復的電網癱瘓，就將給北美地區造成萬億美元級別的巨大損失。

去年8月11日，帕克太陽風探測器在美國卡納維拉爾角空軍基地由Delta-4重型火箭發射升空。與以往的探測器相比，帕克太陽探測器將前所未有的靠近太陽，揭開太陽風產生原理的秘密。12月4日，《自然》雜誌發表了4篇論文，並專門配以新聞和綜述文章，對帕克太陽探測器的所取得的第一批成果進行了報導。

這批讓人先睹為快的成果，雖然距離完全實現帕克太陽探測器的科學目標尚有距離，但在最開始兩次接近太陽就能有眾多的新發現，也給了科學家們更多的信心和期待。與此同時，我國在空間太陽觀測方面也取得了突破性的進展，使中國科學家在未來有望在該領域有更大的作為。

靠近太陽的觀測帶來新發現

1958年，太陽風的發現者尤金·帕克博士提出，由於日冕底部的高溫，日冕中存在著比較大的壓強梯度力，使太陽大氣中的等離子體逃脫了太陽引力的束縛，被逐漸加速並最終達到超音速，形成了太陽風。這一理論推測雖然一開始被學界否定，但很快便被探測器在太空中的實測數據所證實。

太陽釋放的能量來自於太陽內部的核聚變反應。從太陽內部到我們肉眼可見的太陽光球，溫度隨著與中心距離的增加而逐漸降低，這也符合我們日常生活中的常識：距離熱源越遠，溫度越低。然而在光球以上的色球、過渡區和日冕中，反常的現象發生了。太陽大氣中等離子體溫度從六千多度猛增到了百萬度，進而獲得了可以形成太陽風的條件。在六十年的太陽風研究過程中，研究者們試圖搞清這一反常升溫現象的原因，解釋日冕加熱和太陽風加速的機理，將帕克的太陽風理論進一步完善，形成更加自洽的物理圖像。目前，研究者們普遍認同，太陽對流層中的動能轉化為了磁場能，再由磁場傳輸到日冕中，並再次轉換為等離子體的內能和動能。

然而，對於磁場能量轉換的具體物理過程，則仍存在爭議。總體上，大致可以將目前的主流學說劃分為「磁重聯」和「阿爾芬波」兩派。同時，對於物理過程發生的具體圖像的不同構想，又在這兩派中形成了諸多具體的理論模型。造成這種爭議現象的原因，很大程度上是因為人們無法獲取太陽風源區的實測數據。

上世紀七十年代發射的太陽神A、太陽神B探測器曾經獲取到了距離太陽中心約65 Rs（Rs為太陽半徑）的太陽風實測數據，而目前大部分太陽風觀測數據都獲取於1AU(AU為天文單位，即日地平均距離，1AU=215Rs)甚至更遠的位置。在這些位置，日冕加熱和太陽風加速過程已經完成，人們看到的是這兩個過程的「果」，因而難以探求「因」。同時，雖然科學家們可以用地面上或太空中的望遠鏡，在距離太陽較遠的地方對日冕進行相對細緻的遙感觀測，但這些探測所帶來的信息終究無法替代實地測量的信息。

為了解開與太陽風有關的謎題，在美國的大學與科研機構的主導下，科學家們提出了一個抵近太陽的觀測任務計劃。在這個任務中，一個探測器將運行在環繞太陽的大橢圓軌道上，逐漸降低自己距離太陽的距離，最終到達日冕加熱和太陽風加速過程真正發生的地方，進行實地探測，獲得關於太陽風起源的最「鮮活」的觀測數據。

帕克太陽風探測器升空後，將進入一條環繞太陽的橢圓軌道。一開始，這條軌道的近日點與太陽的距離為35Rs（Rs為太陽半徑），遠日點則在1AU左右。通過7次金星的借力飛行，帕克太陽風探測器在7年後會最終將自己的軌道高度降低到9個太陽半徑以下，在最後的3軌飛行中實現科學家們對日冕進行抵近探測的目標。

本次發表的四篇論文，分別從慢太陽風起源、阿爾芬波動現象、高能粒子加速和日冕結構四方面，利用帕克太陽探測器所搭載的局地和遙感成像儀器對前兩軌的數據進行了分析。數據的獲取位置約在36Rs-60Rs之間。與之前的兩艘太陽神飛船相比，帕克太陽探測器與太陽的接近程度已經打破了人類歷史上的記錄。靠近太陽的觀測的確讓科學家們看到了一些新現象。例如，對磁場的觀測表明靠近太陽的磁場中存在著磁場方向快速變化的現象，可能與等離子體的微不穩定性相關。此外，在磁場觀測中還發現了一些與阿爾芬波相關的磁場S形結構，以及比人們以前認為的更強的太陽風經向流動。在對高能粒子的觀測中，在遠離太陽的位置難以互相分辨的兩種加速機制，在靠近太陽的觀測中則可以找到單個機制起決定性作用的事件。而對於日冕的成像觀測，由於更加靠近太陽，圖像中也出現了以往未能觀察到的精細結構。

《自然》對本次成果的新聞報導

筆者個人認為，這四篇文章中雖然報導了不少之前未能觀察到的現象，但這些並非是徹底的解決關於太陽的理論問題的突破性進展。而這也是情理之中的事情：對於太陽風的產生，一些關鍵的物理過程都發生在一個名叫阿爾芬平面的關鍵平面之下，而這個平面的高度一般認為位於十多個Rs的位置，這也是為什麼帕克太陽風探測器要將最低的近日點降低到9個太陽半徑以下的原因。由於近日點的降低要在每一軌的飛行中逐漸完成，這一天的到來要等到2024年底到2025年。

我國空間太陽觀測零的突破

本次發表的四篇論文，使用的數據觀測時段在2018年底到2019年初，而從論文上標註的投稿和接收日期看，它們在今年夏天論文就已經全部寫完。然而，帕克太陽探測器的觀測數據在網絡上公開，則是這四篇論文完成同行評議審稿過程、被《自然》接收之後的事情。這也是空間探測領域中的一個慣例：參與探測器項目的合作單位可以優先拿到衛星數據，並獲得一定的保密期，以保證他們能夠完成首批成果，在最好的期刊上發表。之後，數據才會向其他研究者公開，供大家進行比較細緻的研究。

我國的太陽物理和空間天氣研究有著較強的力量，各高校和科研院所中，有不少從事這方面研究的團隊。然而，受經費和航天技術水平等方面的制約，我國自主獲取的太陽觀測數據都通過地面的望遠鏡獲得，還沒有像帕克太陽探測器和已升空多年的SDO、STEREO、SOHO等探測器這樣的天基太陽觀測平臺。雖然中國科學家也可以通過這些衛星在線公開發布的數據開展研究，也取得了豐碩的成果，但沒有自己的太陽觀測衛星，就很難像本次帕克太陽探測器和以往其他太陽觀測衛星公布成果時那樣，獲得前沿性的原創發現。同時，由於衛星觀測是空間天氣預報模式輸入數據的來源，而空間天氣預報又是軍事活動和民用技術系統運行穩定正常的重要保障，依賴外國數據也存在一定程度的風險與隱患。

中科院雲南天文臺的1米口徑太陽望遠鏡

在本世紀初，我國科學家曾提出過「夸父計劃」這一科學思想獨特的空間探測計劃。這個計劃設想通過三顆探測器衛星，對太陽活動對地球附近空間天氣的影響作出全面系統的探測。三顆衛星中，一顆部署在能夠連續監測太陽的日地L1點上，另兩顆則部署在距離地球較近的地球極軌上，三顆衛星的數據相互配合，能夠形成從源頭到結果的空間科學認知。然而，在後期項目執行的過程中，歐空局和加拿大的國際合作方由於自身財力和其他原因退出了項目，「夸父」計劃也因此未能如期實現。

可喜的是，中國科學家後續提出的新的探測任務，已經走上了正軌。其中，受中科院空間科學先導衛星計劃支持的「先進天基太陽天文臺」（ASO-S）已經正式立項，目前進展到了初樣研製階段。這顆衛星計劃使用技術較為成熟的長徵-2D火箭發射，運行在地球附近的太陽同步晨昏軌道上。雖然仍然在地球附近工作，但這顆衛星能夠擺脫地球大氣對太陽觀測的種種幹擾，也不會因太陽落山而中斷觀測。它搭載的載荷可以對太陽全日面矢量磁場、萊曼阿爾法太陽望遠、硬 X 射線成像儀又與類似軌道上工作的美國SDO探測器側重點不同，不但能夠實現我國空間太陽觀測零的突破，還能和美國探測器的數據實現互補，共同推進人類對於太陽活動和太陽爆發的認識。

ASO-S衛星外型

11月3日，長徵四號乙火箭執行高分七號發射任務時，同時將一顆搭載的微小衛星「精緻高分試驗衛星「送入了太空。這顆衛星在軌工作期間，成功的驗證了超高指向精度和超高穩定度這兩項並稱為「雙超」的技術。衛星在軌工作期間，自身的部件會產生微小的震動。這樣的震動如果直接傳導到望遠鏡等用於成像的有效載荷上，就會使得望遠鏡發生顫抖，指向精度和穩定度大打折扣。我們日常拍照時一旦「手抖」，就會拍出來比較模糊的照片。而觀測太陽一些相對可見光暗弱的多的波段時，望遠鏡需要較長的曝光時間，一旦望遠鏡顫抖，就得不到能夠滿足研究需求的圖像。精緻高分衛星保持望遠鏡載荷穩定的辦法，是利用磁浮技術將望遠鏡和衛星平臺難以避免的震動隔離開，相當於是一個太空中的雲臺。未來，這項技術有望被應用到我國的另一顆太陽觀測衛星中。

成功完成相關技術驗證的高分精緻衛星

太陽，既是宇宙中唯一一顆我們能夠進行比較細緻的觀察研究的恆星，又是唯一一顆能夠對人類的命運產生直接影響的恆星。未來，隨著我們國家自己的太陽觀測衛星「上線」，可以期待中國學者將在太陽物理和空間天氣領域有影響更廣泛深遠的作為。

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