对太阳我们了解得还不够

太阳轨道探测器可以在太阳自转时在表面的对太某些位置上空悬停 。 （ESA/图）2020年4月24日是阳们哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）升空30周年纪念日，全世界的对太天文学家和天文爱好者都在庆祝这个具有里程碑意义的日子 。30年来 ，阳们哈勃太空望远镜成果丰硕，对太彻底改变了我们对宇宙的阳们认识。但在以哈勃太空望远镜为代表的对太一批探测器望向宇宙深处的同时，我们其实在很长时间里都缺乏对太阳的阳们足够了解。太阳作为太阳系的对太母星，对人类、阳们地球上的对太其他生命以及整个太阳系都有着不可替代的意义，因此研究太阳的阳们形成 、演化和对地球的对太影响就成为天体物理学家的重要任务之一。不过，阳们伴随两台太阳探测器在2018年和2020年先后发射，对太我们有望以前所未有的水平了解这个对人类来说最重要的天体。探索太阳两极北京时间2020年2月10日，由欧洲空间局（ESA）领导并和美国国家航空航天局（NASA）合作的太阳轨道探测器（Solar Orbiter）在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空。如果任务进展顺利，太阳轨道探测器将成为首个拍摄太阳南北极地区图像的探测器，从而帮助研究人员获得对太阳更加完整的了解。太阳轨道探测器是ESA正在实施的名为“宇宙视野2015-2025”（Cosmic Vision 2015-2025）的科学计划的一部分 。发射这样一个探测器的想法最早始于1982年。2000年，ESA同意启动这个项目并在2003年进行了再次确认。ESA在2012年同制造商签订合同。探测器的制造前后花费了6年时间，并经过1年多的测试 。ESA最早计划在2017年把探测器发射升空，后经过几次推迟最终确定在2020年
。太阳轨道探测器重1800千克 ，翼展18米，携带10种科学设备 ，包括磁力计、高能粒子探测仪和太阳风层成像仪等 。依靠这些设备，探测器可以实现两种研究模式
：一种是测量探测器附近的空间环境
，包括电场
、磁场和粒子等；另一种是从远处拍摄太阳的图像，包括太阳大气和物质的喷流。探测器距离太阳最近时同太阳的距离只有大约4200万千米 ，届时将位于水星的轨道内
。特制的隔热板可以经受500℃高温的考验，先进的隔热技术将对探测器携带的科学设备进行保护 。探测器成功发射后，项目团队首先会对其进行为期大约3个月的调试 ，以验证探测器携带的科学设备都能正常工作 。此后，探测器还需要将近2年的时间才能进入环绕太阳的工作轨道 ，这个特殊的轨道是探测器能够拍摄太阳南北两极图像的关键。日地平均距离约为1.5亿千米（1AU），这个距离远小于地球到冥王星的距离。但是，把探测器向太阳发射并不比把探测器向冥王星发射更简单 。地球时刻都在高速绕太阳旋转，从地球上发射的探测器需要减速 ，不断降低轨道
，才能接近太阳
。这个减速过程通过探测器自身的发动机无法完成，因此在接近太阳的过程中
，探测器不是径直飞向太阳，而是首先需要3次借助行星的引力弹弓效应实现减速 。这3次分别是2020年12月和2021年8月依靠金星的引力弹弓效应减速以及2021年11月依靠地球的引力弹弓效应减速 。在利用地球的引力弹弓效应减速后，探测器将在2022年首次飞掠太阳，此时距离太阳的距离约为日地距离的1/3。在随后的任务期内，探测器还会6次利用金星的引力弹弓效应不断接近太阳 ，并将自己从太阳系的黄道面中甩出，进入环绕太阳的高椭圆轨道 。在太阳系中，行星环绕太阳运行的轨道基本都在一个平面内 ，这个平面和太阳自身的赤道面只有很小的夹角。因此，地球上的望远镜或者卫星上的望远镜对太阳进行观测时 ，对太阳赤道地区有比较多的了解，对太阳的南北极地区的观测则非常有限。ESA和NASA曾经联合在1990年10月发射了尤利西斯（Ulysses）太阳探测器，这个探测器一直工作到2009年6月
。尤利西斯探测器曾经在倾斜轨道上对太阳两极附近的空间区域进行测量，但是尤利西斯探测器距离太阳太远而且也没有携带相机 ，所以无法对太阳的两极地区进行拍摄。太阳轨道探测器在借助引力弹弓效应进入高椭圆轨道后
，可以在计划中的5年的任务期内，到达与太阳赤道面的倾角超过17°的位置；在根据任务需要而可能进行延伸的任务期内
，倾角最大可以达到33°。这样探测器就能实现对太阳南北两极的观测和拍摄。同时 ，太阳轨道探测器的最高速度几乎可以达到太阳的自转速度
，因此探测器可以在太阳自转时在表面的某些位置上空悬停，进而研究太阳的某个特征是如何随时间演化的。长期以来
，研究人员了解到太阳活动的周期为11年左右
，但是描述这一周期的模型却始终无法与观测结果匹配，重要原因就是缺少太阳两极地区的数据。太阳轨道探测器获得的信息将成为完善太阳磁场模型的关键拼图 ，使研究人员了解驱动太阳活动的力量 。研究人员通过探测器获得的数据可以研究太阳内部的工作机制，观测太阳喷发出的高能粒子并且追踪这些粒子通过太阳风的形式在太阳系中的运动 ，以便更好地理解和预测空间天气 。太阳风暴对电网、航空运输和通信都会造成影响，并且威胁到进行太空行走的航天员的安全 。发生在1859年的卡林顿事件被认为是有记录以来最强的太阳风暴，此后对人类生活造成严重影响的太阳风暴也屡见不鲜。如果能够进行及时、准确的空间天气预报，我们就可以提前关闭通信设备、合理规划航班以及停止航天员出舱作业，将太阳风暴对我们的影响降至最低。对此，ESA科学主任冈瑟·哈辛格（Günther Hasinger）就在ESA官网上表示 ：“人类一直都很熟悉太阳对地球上的生命的重要性
，观察太阳并且仔细研究太阳是如何工作的 
。但同时我们也知道，强大的太阳风暴有可能打乱我们的日常生活。到太阳轨道探测器任务结束的时候 ，我们将对造成太阳行为变化以及它对我们地球的影响的背后力量有更多的了解。”NASA科学副主管托马斯·佐布臣（Thomas Zurbuchen）也在NASA官网上表示：“太阳轨道探测器将和其他近期正在执行的NASA任务共同研究太阳，我们也将获得对这颗恒星前所未有的新知识。我们将同欧洲合作伙伴一起进入一个太阳物理学研究的新时代。”太阳轨道探测器发射升空图
。 （ESA/图）抵近观察太阳太阳轨道探测器的发射是近年来蓬勃发展的太阳研究的一个缩影，也是人类探索太阳的最新尝试 。除了合作发射尤利西斯探测器外，ESA和NASA曾经在1995年12月合作发射了“太阳和太阳风层探测器” （Solar and Heliospheric Observatory，SOHO）。这个探测器发射时计划工作2年 ，但到目前为止已经工作了超过24年的时间
，任务期还有可能继续延长至2022年
 。托马斯·佐布臣提到的NASA最近在执行的太阳任务中，一个关键部分就是帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）
。北京时间2018年8月12日 ，帕克太阳探测器发射升空飞向太阳。这个探测器的任务是对日冕和太阳风进行研究，从而加深我们对于太阳物理的认识
。探测器以现年92岁的美国天体物理学家尤金·帕克（Eugene Parker）命名，正是他在1958年前首先提出了太阳风理论 。如果任务一切按计划顺利进行，帕克太阳探测器将创造多项第一 。比如说，它将成为有史以来距离太阳最近的探测器。在任务周期内，探测器距离太阳最近时的距离只有大约600万千米 ，这个距离差不多是此前距离太阳最近的探测器太阳神2号（Helios B）的1/7
。由于日冕的范围从太阳表面向外延伸超过1000万千米，因此帕克号也将成为首个进入日冕层进行观测的探测器 。帕克号在任务周期内能够24次飞掠太阳，这样探测器就有足够的时间来收集数据
。而在最后3次接近太阳的时候，帕克号的最高速度将会达到200千米/秒 ，成为有史以来速度最快的探测器 。在发射之后这一年多的时间里 ，帕克太阳探测器已经给我们带来了很多惊喜。北京时间2019年12月5日凌晨，NASA向媒体发布了研究人员根据帕克太阳探测器的前3次飞掠得到的首批研究成果
， 4篇研究论文也于同日发表在《自然》（Nature）上 。2020年2月3日，《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）出版了一期以帕克号为主题的增刊 ，发表了47篇根据帕克太阳探测器的观测数据撰写的论文。这些论文同样基于帕克号的前3次飞掠，有些是对《自然》上发表的论文进行了补充，有些是新近完成的研究。在这些论文之前 ，美国空间物理学家玛西亚·纽格伯尔（Marcia Neugebauer）撰写了一篇引言，正是她首次探测到帕克提出的太阳风 。在2019年底发表于《自然》上的这4篇论文中，研究人员报告了初步的研究成果。他们发现 ，虽然太空中充满尘埃，但是在靠近太阳的空间区域内，因为尘埃被加热成气体，因此可能存在无尘区域。数据显示 ，从距太阳大约1100万千米处到约600万千米处，尘埃逐渐变少。真正的无尘区域可能在距离太阳300万-400万千米的区域，预计2020年帕克太阳探测器可以到达这个区域
。研究人员在地球附近观测到的太阳风是相对均匀的等离子体流  。但是太阳风到达地球时已经经过了1.5亿千米的旅程，因此能够帮助研究人员理解太阳加热和加速太阳风的机制的很多信息都已经被抹掉。帕克太阳探测器在太阳附近的太阳风中观测到了截然不同的情况。等离子体中的磁场会发生快速的变化，同时有突然而快速移动的物质喷射，这些都使太阳风同在地球附近时相比更加不稳定。这些细节是帮助研究人员理解太阳风如何在太阳系中传播能量的关键信息 。其中吸引研究团队目光的一种特别的现象是太阳的磁力线发生令人意想不到的变化 ，会在几秒钟到几分钟之内发生180°的转向。在《自然》上的一篇论文中，研究人员进行了初步的探讨，而在《天体物理学杂志》增刊的一篇论文中，他们对此进行了进一步的分析 ，不过目前还无法解释这种现象。除了先后发表的4篇和47篇论文外，更多根据前3次飞掠获得的数据而进行的研究还将陆续发表成果。太阳轨道探测器进入发射前的准备工作 。 迎来黄金时代ESA和NASA在太阳研究领域内建立了紧密的合作，各自主导的一台探测器同其他在轨探测器和地基观测设备配合，可以勾勒出一幅更加完整的太阳物理图像 。太阳轨道探测器和帕克太阳探测器有不同的特点。帕克太阳探测器比太阳轨道探测器距离太阳近得多，以更好地研究太阳风的起源 ，但是帕克号没有携带直接给太阳拍照的照相机。而太阳轨道探测器携带的设备既能对太阳进行远距离测量，又能观测探测器周围的空间环境 ，这些能够为解读帕克太阳探测器的观测数据提供更多的信息。太阳轨道探测器上搭载的相机可以拍摄帕克太阳探测器的位置，这样在帕克号测量等离子体时，太阳轨道探测器会在后面为它拍照 。从两台探测器互补的数据中，研究人员可以发现更多的科学内容 ，实现一加一大于二的效果。NASA太阳轨道探测器项目科学家霍利·吉尔伯特（Holly Gilbert）表示 ：“太阳轨道探测器和帕克太阳探测器在这段非凡的旅程中将共同揭开太阳和太阳大气的最大谜团。两项任务和它们令人惊叹的技术进步的强有力结合将把我们对太阳的理解推向新的高度。”研究人员通过对太阳进行详细研究，不仅可以解答众多有关太阳自身的问题
，更好评估太阳活动对人类生活和未来太空探索任务的影响，还有望加深对恒星演化机制的认识 。同时，在人类已经发现数千颗地外行星的情况下，这些研究还有助于科学家推测围绕类日恒星运行的地外行星上是否存在生命 。毫无疑问，太阳物理学研究正在进入一个黄金时代。南方周末特约撰稿 鞠强