當(dāng)今太陽(yáng)物理學(xué)不再局限于研究太陽(yáng)自身，已擴(kuò)展到包含太陽(yáng)-地球-行星際空間作為整體的結(jié)構(gòu)和演化的科學(xué)領(lǐng)域。

近日，中國(guó)科協(xié)會(huì)刊《科技導(dǎo)報(bào)》刊發(fā)了我國(guó)太陽(yáng)物理學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士汪景琇教授的文章《中國(guó)的空間“探日”時(shí)代》。我們特此摘錄，以饗讀者。

汪景琇

汪景琇，太陽(yáng)物理學(xué)家，長(zhǎng)期從事太陽(yáng)磁場(chǎng)和太陽(yáng)活動(dòng)研究。1969年畢業(yè)于北京大學(xué)地球物理系，1987年于中國(guó)科學(xué)院北京天文臺(tái)獲理學(xué)博士學(xué)位。2013年當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院院士。

中國(guó)的空間“探日”時(shí)代

汪景琇

2021年10月14日，中國(guó)首顆太陽(yáng)探測(cè)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號(hào)”搭載全日面Hα成像光譜儀升入太空，進(jìn)行太陽(yáng)色球動(dòng)力學(xué)的光譜成像觀(guān)測(cè)。1年之后，2022年10月9日，另一顆以“一磁兩暴”（太陽(yáng)磁場(chǎng)、太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射觀(guān)測(cè)）為目標(biāo)的綜合性太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星——先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)（“夸父一號(hào)”）進(jìn)入太空。雙星太空共舞，探日問(wèn)天，標(biāo)志著中國(guó)空間探日時(shí)代的到來(lái)。

中華民族保留著人類(lèi)最早的太陽(yáng)活動(dòng)觀(guān)測(cè)記錄。《漢書(shū)·五行志》記載了公元前28年觀(guān)測(cè)的太陽(yáng)黑子：“三月己未，日出黃，有黑氣，大如錢(qián)，居日中央?！敝袊?guó)古代黑子觀(guān)測(cè)記錄，對(duì)研究太陽(yáng)的長(zhǎng)期變化及其與氣候變化的聯(lián)系，如蒙德極小期研究等，有重要的科學(xué)價(jià)值。20世紀(jì)70年代，中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)編撰了中國(guó)從公元前43年（西漢）到公元1638年（明朝）的目測(cè)黑子記錄，估算出太陽(yáng)黑子的出現(xiàn)具有10.6±0.4年的周期，同時(shí)展現(xiàn)了太陽(yáng)黑子和地球極光出現(xiàn)的相關(guān)性。然而，在望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之后的300多年里，中國(guó)在天文學(xué)和太陽(yáng)物理學(xué)研究領(lǐng)域，卻逐漸與科學(xué)的前沿進(jìn)步拉開(kāi)了距離。

1978年3月，全國(guó)科學(xué)大會(huì)召開(kāi)，科學(xué)的春風(fēng)吹拂祖國(guó)大地。與其他科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域一樣，中國(guó)的太陽(yáng)和空間物理研究進(jìn)入全新發(fā)展階段。20世紀(jì)80年代，南京大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)等機(jī)構(gòu)在多波段光譜學(xué)觀(guān)測(cè)研究取得重要進(jìn)步，基于非局部熱動(dòng)平衡理論計(jì)算的太陽(yáng)大氣半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯孔呦驀?guó)際前沿；中國(guó)太陽(yáng)物理學(xué)者方成、丁有濟(jì)、顧嘯馬等在光譜學(xué)觀(guān)測(cè)領(lǐng)域取得的學(xué)術(shù)研究，在重要的國(guó)際天文學(xué)學(xué)術(shù)期刊發(fā)表。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，北京天文臺(tái)艾國(guó)祥與合作者經(jīng)過(guò)近20年的努力，創(chuàng)造性地發(fā)展了中國(guó)“太陽(yáng)磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡”，成為世界上最好的太陽(yáng)矢量磁像儀。太陽(yáng)磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡的成功，讓中國(guó)太陽(yáng)物理站到了國(guó)際最前沿，也讓中國(guó)太陽(yáng)物理學(xué)者積極參與和組織國(guó)際合作研究，推動(dòng)了太陽(yáng)磁場(chǎng)和太陽(yáng)活動(dòng)研究的進(jìn)步。

太陽(yáng)物理學(xué)是天文學(xué)的一個(gè)重要分支。美國(guó)太陽(yáng)物理學(xué)家哈羅德·齊林（HaroldZirin）在其名著《太陽(yáng)的天體物理學(xué)》序言中，質(zhì)疑漠視天文學(xué)中太陽(yáng)物理教學(xué)的傾向——“（學(xué)生們）不理解恒星，如何理解由恒星組成的星系”，而“沒(méi)有關(guān)于太陽(yáng)的基礎(chǔ)知識(shí)，又如何理解恒星”？

當(dāng)今的太陽(yáng)物理學(xué)不再局限于研究太陽(yáng)自身，已擴(kuò)展到包含太陽(yáng)-地球-行星際空間作為整體的結(jié)構(gòu)和演化的科學(xué)領(lǐng)域。其主要的科學(xué)目標(biāo)包含在3個(gè)互相關(guān)聯(lián)的學(xué)科方面：（1）作為空間等離子體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)研究；（2）作為一個(gè)被詳盡觀(guān)測(cè)（甚至包括被局地測(cè)量）的恒星范例的天體物理學(xué)研究；（3）作為直接影響人類(lèi)生存環(huán)境的空間天氣和空間氣候驅(qū)動(dòng)源的研究。

太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)人類(lèi)的生存環(huán)境和高技術(shù)系統(tǒng)的安全有極為重要的影響。對(duì)準(zhǔn)確可靠的太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)報(bào)的需求，推動(dòng)著太陽(yáng)和空間物理學(xué)的進(jìn)步。20世紀(jì)90年代以來(lái)，以認(rèn)知和預(yù)報(bào)太陽(yáng)活動(dòng)的起源、太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)空間環(huán)境和人類(lèi)高技術(shù)系統(tǒng)影響的新學(xué)科“空間天氣學(xué)”誕生并得到迅速發(fā)展，成為太陽(yáng)和空間物理學(xué)中一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域。類(lèi)比氣象科學(xué)中的天氣學(xué)，空間天氣旨在研究太陽(yáng)、地球磁層-電離層-中層和熱層、行星際空間，乃至整個(gè)太陽(yáng)系（日球?qū)涌臻g）狀態(tài)的變化，及其對(duì)高技術(shù)系統(tǒng)和人類(lèi)活動(dòng)的影響。與地球科學(xué)中的天氣學(xué)和動(dòng)力氣象學(xué)相比，空間天氣學(xué)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(tài)、結(jié)構(gòu)和激變過(guò)程的“磁大氣天氣”?？臻g天氣學(xué)（或“磁大氣天氣學(xué)”）研究將應(yīng)用于更廣泛的宇宙天體對(duì)象，如廣泛存在的類(lèi)太陽(yáng)恒星和環(huán)繞它們的行星系統(tǒng)。

在空間探測(cè)方面，2018年美國(guó)發(fā)射的“帕克號(hào)太陽(yáng)探針”在2023年7月離太陽(yáng)表面最近的距離已到10個(gè)太陽(yáng)半徑左右，發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)風(fēng)中的“磁島”結(jié)構(gòu)和“磁偏折”現(xiàn)象，以及太陽(yáng)風(fēng)加速過(guò)程的“脈沖式爆發(fā)”，探測(cè)到日冕中大量的納耀斑和等離子體湍動(dòng)過(guò)程。2020年歐洲空間局發(fā)射的“太陽(yáng)軌道器”，在2022年10月以來(lái)其近日點(diǎn)已飛抵離太陽(yáng)約0.3倍的日地距離，位于水星軌道以?xún)?nèi)，未來(lái)將繼續(xù)借助金星引力輔助逐漸抬升傾角軌道，計(jì)劃從設(shè)計(jì)壽命階段的7.7°逐漸提高到延壽運(yùn)行的24°~30°（2027年1月），以期實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)高緯度和極區(qū)有限的觀(guān)測(cè)能力，開(kāi)始取得多項(xiàng)突破性發(fā)現(xiàn)，正填補(bǔ)對(duì)高緯度太陽(yáng)活動(dòng)和全球磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知空白。

在地面觀(guān)測(cè)方面，太陽(yáng)物理學(xué)界期盼久已的口徑4m的美國(guó)“井上太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡”，2022年在夏威夷毛伊島哈萊阿卡拉天文臺(tái)正式投入科學(xué)運(yùn)行。以30km空間分辨率，DKIST觀(guān)測(cè)到太陽(yáng)光球磁通量管的精細(xì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)在太陽(yáng)表面呈纖維化和瞬態(tài)變化的編織狀態(tài)；首次在紅外波段實(shí)現(xiàn)靈敏度為1G的太陽(yáng)寧?kù)o區(qū)弱磁場(chǎng)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)大尺度弱磁場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)；在太陽(yáng)活動(dòng)研究中，觀(guān)測(cè)到尺度約100km磁重聯(lián)電流片精細(xì)結(jié)構(gòu)，證認(rèn)重聯(lián)區(qū)附近的等離子體湍流加熱。

進(jìn)入21世紀(jì)，人類(lèi)對(duì)太陽(yáng)和太陽(yáng)系的探索正在開(kāi)啟一場(chǎng)新的“哥白尼式”的天文學(xué)革命。對(duì)太陽(yáng)、恒星及其周邊世界的研究，聚焦在宇宙中生命的起源、太陽(yáng)系外類(lèi)地行星的宜居性，以及如何呵護(hù)和擴(kuò)展人類(lèi)美麗的家園等重大課題上?！熬咸?yáng)望遠(yuǎn)鏡”“帕克太陽(yáng)探針”和“太陽(yáng)軌道器”3個(gè)重大設(shè)備，代表了人類(lèi)對(duì)主導(dǎo)自己生存環(huán)境的太陽(yáng)新探索的開(kāi)端。

太陽(yáng)極區(qū)是人類(lèi)科學(xué)發(fā)展歷史上從未被正面觀(guān)測(cè)過(guò)的區(qū)域。太陽(yáng)極區(qū)是聯(lián)系太陽(yáng)、地球和行星際的高速太陽(yáng)風(fēng)的源頭；作為太陽(yáng)活動(dòng)周的極向分量，太陽(yáng)極區(qū)是太陽(yáng)活動(dòng)帶磁場(chǎng)和太陽(yáng)活動(dòng)的源頭。同時(shí)，太陽(yáng)極區(qū)在很大程度上決定了日球?qū)拥拇笮『徒Y(jié)構(gòu)。太陽(yáng)極區(qū)探測(cè)是極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)任務(wù)，是深空太陽(yáng)探測(cè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。

把太陽(yáng)極區(qū)作為探測(cè)目標(biāo)，是中國(guó)空間探日工程中的一個(gè)有勇氣且具有戰(zhàn)略意義的選擇。中國(guó)的太陽(yáng)極軌天文臺(tái)項(xiàng)目的總體方案在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位，目前已進(jìn)入工程研制；未來(lái)聯(lián)合環(huán)日或在日地拉格朗日L1/L5點(diǎn)的探測(cè)計(jì)劃，中國(guó)的太陽(yáng)和空間科學(xué)研究將提供完整的太陽(yáng)全球面三維磁場(chǎng)和磁活動(dòng)的圖景，實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害性空間天氣實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)警和可靠預(yù)報(bào)，服務(wù)國(guó)家的戰(zhàn)略需求和人類(lèi)科學(xué)探索的需要。

不可否認(rèn)的是，太陽(yáng)地基重大觀(guān)測(cè)設(shè)備的發(fā)展，也具有不可取代的科學(xué)意義。由于地面裝置易于實(shí)現(xiàn)更大型、更復(fù)雜的觀(guān)測(cè)設(shè)備和觀(guān)測(cè)程序，按照科學(xué)目標(biāo)的需要發(fā)展、調(diào)試、更新后端探測(cè)系統(tǒng)，與空間觀(guān)測(cè)設(shè)施配合，實(shí)現(xiàn)精心思考和設(shè)計(jì)的科學(xué)目標(biāo)。中國(guó)太陽(yáng)物理學(xué)者在20多年前就提出了地面8m光學(xué)和紅外太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃，旨在研究太陽(yáng)磁場(chǎng)的內(nèi)秉結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和集體行為；將在四川稻城運(yùn)行的2.5m大視場(chǎng)高分辨率太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡（WeHoST），是國(guó)際上首臺(tái)兼具太陽(yáng)和恒星物理觀(guān)測(cè)需求的望遠(yuǎn)鏡；位于甘孜州稻城縣被稱(chēng)為“千眼天珠”的圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡（DSRT），是目前已建成的全球規(guī)模最大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，正在對(duì)太陽(yáng)風(fēng)暴的日地空間傳播鏈條進(jìn)行高質(zhì)量監(jiān)測(cè)；位于青海冷湖賽什騰山的“中紅外太陽(yáng)磁場(chǎng)精確測(cè)量系統(tǒng)”（AIMS）2024年初已投入觀(guān)測(cè)，精確測(cè)量導(dǎo)致太陽(yáng)耀斑等太陽(yáng)活動(dòng)和日冕加熱的磁場(chǎng)變化。明安圖射電頻譜日像儀（MUSER）將形成一個(gè)包括厘米波—分米波—米波—10米波在內(nèi)的超寬帶射電頻譜三維成像觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)及其行星際擾動(dòng)做全面監(jiān)測(cè)。

中國(guó)《國(guó)家空間科學(xué)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2024—2050年）》業(yè)已發(fā)布，日地全景是規(guī)劃的5大科學(xué)主題之一。中國(guó)的空間探日時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。中國(guó)的太陽(yáng)和空間物理學(xué)者會(huì)自立自強(qiáng)，“步步著實(shí)”，努力奮斗，同時(shí)與國(guó)際學(xué)術(shù)界緊密合作，實(shí)現(xiàn)在太陽(yáng)和空間物理領(lǐng)域的重大突破性進(jìn)展，為國(guó)家發(fā)展、人民幸福和人類(lèi)進(jìn)步作出杰出貢獻(xiàn)。

供　　稿：科技導(dǎo)報(bào)社

責(zé)　　編：李蕙帆 王麗娜

審　　核：張敬一

值班編委：宋玉榮