汪景琇：中國的空間“探日”時代

當今太陽物理學不再局限于研究太陽自身，已擴展到包含太陽-地球-行星際空間作為整體的結構和演化的科學領域。

近日，中國科協會刊《科技導報》刊發了我國太陽物理學家、中國科學院院士汪景琇教授的文章《中國的空間“探日”時代》。我們特此摘錄，以饗讀者。

汪景琇

汪景琇，太陽物理學家，長期從事太陽磁場和太陽活動研究。1969年畢業于北京大學地球物理系，1987年于中國科學院北京天文臺獲理學博士學位。2013年當選中國科學院院士。

中國的空間“探日”時代

汪景琇

2021年10月14日，中國首顆太陽探測科學技術試驗衛星“羲和號”搭載全日面Hα成像光譜儀升入太空，進行太陽色球動力學的光譜成像觀測。1年之后，2022年10月9日，另一顆以“一磁兩暴”（太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質拋射觀測）為目標的綜合性太陽探測衛星——先進天基太陽天文臺（“夸父一號”）進入太空。雙星太空共舞，探日問天，標志著中國空間探日時代的到來。

中華民族保留著人類最早的太陽活動觀測記錄。《漢書·五行志》記載了公元前28年觀測的太陽黑子：“三月己未，日出黃，有黑氣，大如錢，居日中央。”中國古代黑子觀測記錄，對研究太陽的長期變化及其與氣候變化的聯系，如蒙德極小期研究等，有重要的科學價值。20世紀70年代，中國科學院云南天文臺編撰了中國從公元前43年（西漢）到公元1638年（明朝）的目測黑子記錄，估算出太陽黑子的出現具有10.6±0.4年的周期，同時展現了太陽黑子和地球極光出現的相關性。然而，在望遠鏡發明之后的300多年里，中國在天文學和太陽物理學研究領域，卻逐漸與科學的前沿進步拉開了距離。

1978年3月，全國科學大會召開，科學的春風吹拂祖國大地。與其他科學技術領域一樣，中國的太陽和空間物理研究進入全新發展階段。20世紀80年代，南京大學和中國科學院云南天文臺等機構在多波段光譜學觀測研究取得重要進步，基于非局部熱動平衡理論計算的太陽大氣半經驗模型研究走向國際前沿；中國太陽物理學者方成、丁有濟、顧嘯馬等在光譜學觀測領域取得的學術研究，在重要的國際天文學學術期刊發表。從20世紀60年代開始，北京天文臺艾國祥與合作者經過近20年的努力，創造性地發展了中國“太陽磁場望遠鏡”，成為世界上最好的太陽矢量磁像儀。太陽磁場望遠鏡的成功，讓中國太陽物理站到了國際最前沿，也讓中國太陽物理學者積極參與和組織國際合作研究，推動了太陽磁場和太陽活動研究的進步。

太陽物理學是天文學的一個重要分支。美國太陽物理學家哈羅德·齊林（HaroldZirin）在其名著《太陽的天體物理學》序言中，質疑漠視天文學中太陽物理教學的傾向——“（學生們）不理解恒星，如何理解由恒星組成的星系”，而“沒有關于太陽的基礎知識，又如何理解恒星”？

當今的太陽物理學不再局限于研究太陽自身，已擴展到包含太陽-地球-行星際空間作為整體的結構和演化的科學領域。其主要的科學目標包含在3個互相關聯的學科方面：（1）作為空間等離子體物理學實驗室的物理學研究；（2）作為一個被詳盡觀測（甚至包括被局地測量）的恒星范例的天體物理學研究；（3）作為直接影響人類生存環境的空間天氣和空間氣候驅動源的研究。

太陽活動對人類的生存環境和高技術系統的安全有極為重要的影響。對準確可靠的太陽活動預報的需求，推動著太陽和空間物理學的進步。20世紀90年代以來，以認知和預報太陽活動的起源、太陽活動對空間環境和人類高技術系統影響的新學科“空間天氣學”誕生并得到迅速發展，成為太陽和空間物理學中一個非常活躍的研究領域。類比氣象科學中的天氣學，空間天氣旨在研究太陽、地球磁層-電離層-中層和熱層、行星際空間，乃至整個太陽系（日球層空間）狀態的變化，及其對高技術系統和人類活動的影響。與地球科學中的天氣學和動力氣象學相比，空間天氣學主要研究磁性大氣，即由部分和完全電離等離子體組成的大氣的狀態、結構和激變過程的“磁大氣天氣”。空間天氣學（或“磁大氣天氣學”）研究將應用于更廣泛的宇宙天體對象，如廣泛存在的類太陽恒星和環繞它們的行星系統。

在空間探測方面，2018年美國發射的“帕克號太陽探針”在2023年7月離太陽表面最近的距離已到10個太陽半徑左右，發現了太陽風中的“磁島”結構和“磁偏折”現象，以及太陽風加速過程的“脈沖式爆發”，探測到日冕中大量的納耀斑和等離子體湍動過程。2020年歐洲空間局發射的“太陽軌道器”，在2022年10月以來其近日點已飛抵離太陽約0.3倍的日地距離，位于水星軌道以內，未來將繼續借助金星引力輔助逐漸抬升傾角軌道，計劃從設計壽命階段的7.7°逐漸提高到延壽運行的24°~30°（2027年1月），以期實現對太陽高緯度和極區有限的觀測能力，開始取得多項突破性發現，正填補對高緯度太陽活動和全球磁場結構的認知空白。

在地面觀測方面，太陽物理學界期盼久已的口徑4m的美國“井上太陽望遠鏡”，2022年在夏威夷毛伊島哈萊阿卡拉天文臺正式投入科學運行。以30km空間分辨率，DKIST觀測到太陽光球磁通量管的精細結構，發現磁場在太陽表面呈纖維化和瞬態變化的編織狀態；首次在紅外波段實現靈敏度為1G的太陽寧靜區弱磁場測量，發現大尺度弱磁場網絡；在太陽活動研究中，觀測到尺度約100km磁重聯電流片精細結構，證認重聯區附近的等離子體湍流加熱。

進入21世紀，人類對太陽和太陽系的探索正在開啟一場新的“哥白尼式”的天文學革命。對太陽、恒星及其周邊世界的研究，聚焦在宇宙中生命的起源、太陽系外類地行星的宜居性，以及如何呵護和擴展人類美麗的家園等重大課題上。“井上太陽望遠鏡”“帕克太陽探針”和“太陽軌道器”3個重大設備，代表了人類對主導自己生存環境的太陽新探索的開端。

太陽極區是人類科學發展歷史上從未被正面觀測過的區域。太陽極區是聯系太陽、地球和行星際的高速太陽風的源頭；作為太陽活動周的極向分量，太陽極區是太陽活動帶磁場和太陽活動的源頭。同時，太陽極區在很大程度上決定了日球層的大小和結構。太陽極區探測是極具挑戰性的科學任務，是深空太陽探測國際競爭的制高點。

把太陽極區作為探測目標，是中國空間探日工程中的一個有勇氣且具有戰略意義的選擇。中國的太陽極軌天文臺項目的總體方案在國際上處于領先地位，目前已進入工程研制；未來聯合環日或在日地拉格朗日L1/L5點的探測計劃，中國的太陽和空間科學研究將提供完整的太陽全球面三維磁場和磁活動的圖景，實現對災害性空間天氣實時準確的預警和可靠預報，服務國家的戰略需求和人類科學探索的需要。

不可否認的是，太陽地基重大觀測設備的發展，也具有不可取代的科學意義。由于地面裝置易于實現更大型、更復雜的觀測設備和觀測程序，按照科學目標的需要發展、調試、更新后端探測系統，與空間觀測設施配合，實現精心思考和設計的科學目標。中國太陽物理學者在20多年前就提出了地面8m光學和紅外太陽望遠鏡計劃，旨在研究太陽磁場的內秉結構、性質和集體行為；將在四川稻城運行的2.5m大視場高分辨率太陽望遠鏡（WeHoST），是國際上首臺兼具太陽和恒星物理觀測需求的望遠鏡；位于甘孜州稻城縣被稱為“千眼天珠”的圓環陣太陽射電成像望遠鏡（DSRT），是目前已建成的全球規模最大的綜合孔徑射電望遠鏡，正在對太陽風暴的日地空間傳播鏈條進行高質量監測；位于青海冷湖賽什騰山的“中紅外太陽磁場精確測量系統”（AIMS）2024年初已投入觀測，精確測量導致太陽耀斑等太陽活動和日冕加熱的磁場變化。明安圖射電頻譜日像儀（MUSER）將形成一個包括厘米波—分米波—米波—10米波在內的超寬帶射電頻譜三維成像觀測系統，對太陽爆發活動及其行星際擾動做全面監測。

中國《國家空間科學中長期發展規劃（2024—2050年）》業已發布，日地全景是規劃的5大科學主題之一。中國的空間探日時代已經到來。中國的太陽和空間物理學者會自立自強，“步步著實”，努力奮斗，同時與國際學術界緊密合作，實現在太陽和空間物理領域的重大突破性進展，為國家發展、人民幸福和人類進步作出杰出貢獻。

供　　稿：科技導報社

責　　編：李蕙帆 王麗娜

審　　核：張敬一

值班編委：宋玉榮