為什么研究太陽？深空時(shí)代來臨 探日究竟有何魔力？

10月14日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心，中國首顆太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號(hào)”搭載長征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功升空，開啟種花家自己的太陽探測之路。羲和這個(gè)名稱是來自于古代神話中的太陽女神名字，蘊(yùn)含著“效法羲和馭天馬，志在長空牧群星”的含義。

人類追逐太陽的歷程是從圖騰崇拜時(shí)代開始，原始土著人群曾經(jīng)將太陽當(dāng)作神明來崇拜，我們自己的古籍中也有關(guān)于太陽的記載。世界公認(rèn)的最早太陽黑子記載是在《漢書五行志》上：“成帝河平元年三月乙未，日出黃，有黑氣，大如錢，居日中央”。而西方直到1610年，意大利天文學(xué)家伽利略首次用望遠(yuǎn)鏡看到了太陽黑子，發(fā)現(xiàn)黑子是太陽表面非常普遍的現(xiàn)象。

直到今天研究太陽的腳步也沒有停下來，仍然駛向深處。近十年，宇航技術(shù)、深空探索取得越來越多的成績，SpaceX成功回收火箭，貝索斯家的藍(lán)色起源將自家老板貝索斯送上太空，載人航天進(jìn)入商業(yè)化階段，航天技術(shù)的快速發(fā)展下，探日的技術(shù)也緊隨其后。人類追逐太陽的腳步一直向前，為什么人們熱衷研究太陽？目前研究成果有哪些？在追逐太陽的路上遇到了什么挑戰(zhàn)和難題呢？

為什么研究太陽？

我們從書上學(xué)到的知識(shí)解釋是，太陽是內(nèi)部不停發(fā)生著核聚變，導(dǎo)致不斷發(fā)光發(fā)熱的一顆恒星，由于太陽的巨大質(zhì)量使得太陽系其他行星都圍繞著它旋轉(zhuǎn)。太陽的巨大熱量給了地球生物賴以生存的能量。太陽的引力下，地球的自傳和公轉(zhuǎn)給了生物生命的多樣性，太陽與地球的生態(tài)環(huán)境息息相關(guān)。

而太陽表面的日冕層，每天都會(huì)有無數(shù)的帶電粒子流向外輻射，這些帶電粒子流也被稱為太陽風(fēng)，地球也在它的掃射范圍內(nèi)，這些粒子流以超過 500 公里/秒的速度源源不斷地向地球襲來，干擾著地球的磁場，破壞地球電離層的結(jié)構(gòu)，造成無線電通信中斷。

這些狂暴的太陽風(fēng)會(huì)給人類的生產(chǎn)、生活帶來巨大影響：

1.狂暴的太陽風(fēng)對(duì)地球周圍的所有衛(wèi)星都會(huì)造成破壞性影響，嚴(yán)重干擾衛(wèi)星內(nèi)部電子設(shè)備的功能運(yùn)行。

2.太陽風(fēng)會(huì)對(duì)在空間站駐留的宇航員身體健康造成影響。

3.太陽粒子影響近地環(huán)境地面的電磁信號(hào)，一旦被太陽風(fēng)暴擊中，就會(huì)導(dǎo)致地球一些區(qū)域的斷電斷網(wǎng)，這些區(qū)域內(nèi)所有和網(wǎng)絡(luò)、電力相關(guān)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和生活停擺，造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大。

而對(duì)太陽的研究會(huì)得以了解太陽風(fēng)、太陽粒子等與近地環(huán)境的相互作用，掌握太陽風(fēng)的規(guī)律與特性對(duì)空間天氣和航天器等正常運(yùn)作提供幫助，降低或規(guī)避對(duì)近地環(huán)境的不利影響。從最早的先驅(qū)者號(hào)到比水星還靠近太陽的太陽軌道器，國際上已經(jīng)開展了多項(xiàng)對(duì)太陽的探測任務(wù)，探索太陽的技術(shù)與工具也在這幾十年發(fā)生了變化。

從天文望遠(yuǎn)鏡到衛(wèi)星

肉眼觀測外，最早研究太陽的工具就是天文望遠(yuǎn)鏡了，人類透過這個(gè)工具觀測到了很多行星的運(yùn)行規(guī)律。這些望遠(yuǎn)鏡通常配有特殊的濾光片，以遮住太陽光的有害部分。專業(yè)的天文學(xué)家運(yùn)用的是更加先進(jìn)的儀器觀測太陽表面和日冕層，需要不同光譜的天文望遠(yuǎn)鏡。而雷達(dá)觀測研究的方向主要是太陽的輻射，聲學(xué)干涉測量法等技術(shù)來研究太陽的內(nèi)部。衛(wèi)星可以探測到太陽的粒子流和無線電頻率等，可遠(yuǎn)程觀測到太陽表面和接近地球的空間天氣。

隨著宇航技術(shù)的深入發(fā)展，運(yùn)用衛(wèi)星探測器來觀測太陽是最主要的工具和方式。在太空中進(jìn)行太陽探測的益處不只是距離變近，范圍也呈數(shù)量級(jí)增長，由于地球大氣層的存在，大部分的光波段輻射，比如大部分紫外和紅外線、X射線和伽馬射線等高能輻射，在到達(dá)地面前就被地球大氣吸收。如果在地面上對(duì)太陽進(jìn)行觀測，只能觀測到可見光和有限的射電輻射，這樣有限的范圍對(duì)于太陽的研究來說比較狹隘。而衛(wèi)星的優(yōu)勢在于能夠完全脫離地球大氣的影響，從各個(gè)波段研究太陽，從而描繪出一幅完整的太陽圖像。

目前在軌運(yùn)行的最優(yōu)秀太陽探測器就是美國NASA在2018年發(fā)射的帕克號(hào)太陽探測器，它創(chuàng)造了有史以來最接近太陽的人造物體的記錄，其設(shè)定的距離是約為610萬公里，這個(gè)距離意味著探測器需要進(jìn)入日冕層，我們知道日冕層的溫度特別高（帕克需要克服1400℃的高溫），其不僅要忍受高溫還要保持內(nèi)部幾十度室溫的正常運(yùn)行，這難度和技術(shù)令人發(fā)麻。

從天文望遠(yuǎn)鏡到雷達(dá)，再到衛(wèi)星近距離觀測，都面臨技術(shù)挑戰(zhàn)：

1.升空的衛(wèi)星為了保證高的精確度分析，必須設(shè)計(jì)多層安全冗余系統(tǒng)，來保證數(shù)據(jù)的可靠性避免被太陽風(fēng)的高能電子流影響。

2.像制作類似帕克或者超越帕克的太陽探測器，在近距離觀測太陽時(shí)，必須制備出耐超高溫的材料，探測器的內(nèi)外都需要這些特殊材料的加持，尋找和合成這些超導(dǎo)耐高溫的材料極其困難。

3.太陽的磁極在一個(gè)太陽周期（11年）會(huì)有磁極翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，需要工作壽命長的衛(wèi)星對(duì)其整個(gè)太陽周期的活動(dòng)進(jìn)行完整的觀測。

4.不僅要防備太陽風(fēng)暴的侵襲，太陽探測器也需要設(shè)計(jì)研發(fā)具備防止其他太空高能電離子的干擾和影響。

深空的超遠(yuǎn)飛行是航天科技實(shí)力的巔峰，尤其是向著太陽這個(gè)超高溫火爐飛去，不僅要解決超遠(yuǎn)距離的能源問題、復(fù)雜溫變環(huán)境、太陽風(fēng)暴……還要從容應(yīng)對(duì)數(shù)億公里漫長旅程中隨時(shí)出現(xiàn)的危機(jī)。可謂是每一秒的距離都充滿意外和困難。在這樣的條件下，這些太陽探測器還是為人類的研究帶來了極大的助益。

逐日到未來

航天技術(shù)自1960年開始發(fā)展，科學(xué)家也開始著手探測和研究太陽活動(dòng)，目前全世界已經(jīng)發(fā)射了70多顆太陽觀測衛(wèi)星，主要聚焦于太陽黑子、耀斑日冕等表面物質(zhì)拋射的觀測研究。我們知道近代的太陽研究主要聚焦的也是對(duì)太陽結(jié)構(gòu)、磁場、黑子等進(jìn)行綜合觀測和近地觀測。因?yàn)槠鶈栴}，只為大家介紹幾個(gè)比較有影響的主要成果：

1.歐洲航天局的尤利西斯探測器，為天文學(xué)家展現(xiàn)了太陽磁場的變化，曾經(jīng)人們以為太陽磁極的變化會(huì)非常迅速，得益于尤利西斯的觀察，發(fā)現(xiàn)了這個(gè)過程是一個(gè)漸變的歷程，可能需要七年左右的時(shí)間來變化。

2.探測器發(fā)現(xiàn)太陽黑子的規(guī)律，它在太陽活動(dòng)極小期結(jié)束后，太陽黑子的數(shù)量會(huì)逐漸增加，會(huì)在太陽南北半球的35度緯度形成，然后到達(dá)赤道最終消失，而日冕的亮點(diǎn)也會(huì)從高維向赤道移動(dòng)。

3.美國發(fā)射的世界第一對(duì)孿生太陽觀測衛(wèi)星——日地關(guān)系觀測平臺(tái)，對(duì)太陽黑子爆發(fā)時(shí)進(jìn)行了三維成像，讓科學(xué)家們首次用三維立體的方式來研究太陽周邊環(huán)境以及太陽活動(dòng)對(duì)整個(gè)太陽系造成的影響。

4.帕克太陽探測器發(fā)射升空后，幫助科學(xué)家找到了太陽風(fēng)的源頭，低速太陽風(fēng)在赤道附近的日冕洞附近出現(xiàn)，速度低于每秒 450 公里；而在太陽極地附近，吹出的是高速太陽風(fēng)，速度超過每秒 450 公里。太陽風(fēng)的最終超高速加速原因也被找到，太陽的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速也被發(fā)現(xiàn)比我們想象中的要快得多，給了科研人員對(duì)恒星進(jìn)化方式的新思考角度。

這是目前相對(duì)來說比較新和重要的成果，而太陽的未來探索，會(huì)向部署立體探測體系發(fā)力，對(duì)太陽進(jìn)行全方位的探索。這個(gè)立體的探索方案也是咱們種花家自己提出來的，關(guān)于這個(gè)立體探測系統(tǒng)方案，未來將在黃道面和極軌的5個(gè)點(diǎn)上分別部署探測器，對(duì)太陽實(shí)現(xiàn)“環(huán)抱”觀測。而探測器尤其是極區(qū)探測器，需要5年的時(shí)間才能飛行到位，航天局給出的時(shí)間是大概在2035年前后構(gòu)建起太陽極區(qū)的全方位立體探測體系。

此前關(guān)于研究太陽的論文，我們的研究數(shù)量雖然很多，但是都建立在其他國家探索太陽的二手資料上面，想要做出影響天文界，引領(lǐng)太陽研究方面的影響力，很難實(shí)現(xiàn)。原始創(chuàng)新的成果必須建立在自有太陽探索能力的宇航器的發(fā)展，而對(duì)太陽的探測立體體系部署和規(guī)劃會(huì)極大地改變我們?cè)谔栄芯繉W(xué)術(shù)界的地位：從跟隨者到引領(lǐng)者的巨變，未來可期。

太陽探測器的歸宿是在能量耗盡后，一步步分解墜向太陽，成為宇宙塵埃的一份子。但是人類追逐太陽的腳步永遠(yuǎn)也不會(huì)停下，關(guān)于太陽的謎題，關(guān)于太陽風(fēng)暴的解答，都是人類想要征服的方向，哪怕是渺茫的希望，人類也會(huì)頭鐵邁進(jìn)，直到人類消亡的那刻。