李会超：没有自己的太阳观测卫星，中国错失前沿性原创发现

【文/观察者网专栏作者  李会超】

除了给予地球光和热外，太阳也已另一种方式影响着我们的地球。一种被称作“太阳风”的高速等离子体流时刻从太阳上涌出，并向太阳系的深处奔去。当它到达地球附近时，会与地球的磁场发生作用。强烈的太阳风暴会引起地磁场的剧烈变化，对航天、供电、通讯、航空、导航等一系列领域和技术系统产生灾害性的影响。据估计，如果超强太阳风暴正面袭击地球，仅难以修复的电网瘫痪，就将给北美地区造成万亿美元级别的巨大损失。

去年8月11日，帕克太阳风探测器在美国卡纳维拉尔角空军基地由Delta-4重型火箭发射升空。与以往的探测器相比，帕克太阳探测器将前所未有的靠近太阳，揭开太阳风产生原理的秘密。12月4日，《自然》杂志发表了4篇论文，并专门配以新闻和综述文章，对帕克太阳探测器的所取得的第一批成果进行了报道。

这批让人先睹为快的成果，虽然距离完全实现帕克太阳探测器的科学目标尚有距离，但在最开始两次接近太阳就能有众多的新发现，也给了科学家们更多的信心和期待。与此同时，我国在空间太阳观测方面也取得了突破性的进展，使中国科学家在未来有望在该领域有更大的作为。

靠近太阳的观测带来新发现

1958年，太阳风的发现者尤金·帕克博士提出，由于日冕底部的高温，日冕中存在着比较大的压强梯度力，使太阳大气中的等离子体逃脱了太阳引力的束缚，被逐渐加速并最终达到超音速，形成了太阳风。这一理论推测虽然一开始被学界否定，但很快便被探测器在太空中的实测数据所证实。

太阳释放的能量来自于太阳内部的核聚变反应。从太阳内部到我们肉眼可见的太阳光球，温度随着与中心距离的增加而逐渐降低，这也符合我们日常生活中的常识：距离热源越远，温度越低。然而在光球以上的色球、过渡区和日冕中，反常的现象发生了。太阳大气中等离子体温度从六千多度猛增到了百万度，进而获得了可以形成太阳风的条件。在六十年的太阳风研究过程中，研究者们试图搞清这一反常升温现象的原因，解释日冕加热和太阳风加速的机理，将帕克的太阳风理论进一步完善，形成更加自洽的物理图像。目前，研究者们普遍认同，太阳对流层中的动能转化为了磁场能，再由磁场传输到日冕中，并再次转换为等离子体的内能和动能。

然而，对于磁场能量转换的具体物理过程，则仍存在争议。总体上，大致可以将目前的主流学说划分为“磁重联”和“阿尔芬波”两派。同时，对于物理过程发生的具体图像的不同构想，又在这两派中形成了诸多具体的理论模型。造成这种争议现象的原因，很大程度上是因为人们无法获取太阳风源区的实测数据。

上世纪七十年代发射的太阳神A、太阳神B探测器曾经获取到了距离太阳中心约65 Rs（Rs为太阳半径）的太阳风实测数据，而目前大部分太阳风观测数据都获取于1AU(AU为天文单位，即日地平均距离，1AU=215Rs)甚至更远的位置。在这些位置，日冕加热和太阳风加速过程已经完成，人们看到的是这两个过程的“果”，因而难以探求“因”。同时，虽然科学家们可以用地面上或太空中的望远镜，在距离太阳较远的地方对日冕进行相对细致的遥感观测，但这些探测所带来的信息终究无法替代实地测量的信息。

为了解开与太阳风有关的谜题，在美国的大学与科研机构的主导下，科学家们提出了一个抵近太阳的观测任务计划。在这个任务中，一个探测器将运行在环绕太阳的大椭圆轨道上，逐渐降低自己距离太阳的距离，最终到达日冕加热和太阳风加速过程真正发生的地方，进行实地探测，获得关于太阳风起源的最“鲜活”的观测数据。

帕克太阳风探测器升空后，将进入一条环绕太阳的椭圆轨道。一开始，这条轨道的近日点与太阳的距离为35Rs（Rs为太阳半径），远日点则在1AU左右。通过7次金星的借力飞行，帕克太阳风探测器在7年后会最终将自己的轨道高度降低到9个太阳半径以下，在最后的3轨飞行中实现科学家们对日冕进行抵近探测的目标。

本次发表的四篇论文，分别从慢太阳风起源、阿尔芬波动现象、高能粒子加速和日冕结构四方面，利用帕克太阳探测器所搭载的局地和遥感成像仪器对前两轨的数据进行了分析。数据的获取位置约在36Rs-60Rs之间。与之前的两艘太阳神飞船相比，帕克太阳探测器与太阳的接近程度已经打破了人类历史上的记录。靠近太阳的观测的确让科学家们看到了一些新现象。例如，对磁场的观测表明靠近太阳的磁场中存在着磁场方向快速变化的现象，可能与等离子体的微不稳定性相关。此外，在磁场观测中还发现了一些与阿尔芬波相关的磁场S形结构，以及比人们以前认为的更强的太阳风经向流动。在对高能粒子的观测中，在远离太阳的位置难以互相分辨的两种加速机制，在靠近太阳的观测中则可以找到单个机制起决定性作用的事件。而对于日冕的成像观测，由于更加靠近太阳，图像中也出现了以往未能观察到的精细结构。

《自然》对本次成果的新闻报道

笔者个人认为，这四篇文章中虽然报道了不少之前未能观察到的现象，但这些并非是彻底的解决关于太阳的理论问题的突破性进展。而这也是情理之中的事情：对于太阳风的产生，一些关键的物理过程都发生在一个名叫阿尔芬平面的关键平面之下，而这个平面的高度一般认为位于十多个Rs的位置，这也是为什么帕克太阳风探测器要将最低的近日点降低到9个太阳半径以下的原因。由于近日点的降低要在每一轨的飞行中逐渐完成，这一天的到来要等到2024年底到2025年。

我国空间太阳观测零的突破

本次发表的四篇论文，使用的数据观测时段在2018年底到2019年初，而从论文上标注的投稿和接收日期看，它们在今年夏天论文就已经全部写完。然而，帕克太阳探测器的观测数据在网络上公开，则是这四篇论文完成同行评议审稿过程、被《自然》接收之后的事情。这也是空间探测领域中的一个惯例：参与探测器项目的合作单位可以优先拿到卫星数据，并获得一定的保密期，以保证他们能够完成首批成果，在最好的期刊上发表。之后，数据才会向其他研究者公开，供大家进行比较细致的研究。

我国的太阳物理和空间天气研究有着较强的力量，各高校和科研院所中，有不少从事这方面研究的团队。然而，受经费和航天技术水平等方面的制约，我国自主获取的太阳观测数据都通过地面的望远镜获得，还没有像帕克太阳探测器和已升空多年的SDO、STEREO、SOHO等探测器这样的天基太阳观测平台。虽然中国科学家也可以通过这些卫星在线公开发布的数据开展研究，也取得了丰硕的成果，但没有自己的太阳观测卫星，就很难像本次帕克太阳探测器和以往其他太阳观测卫星公布成果时那样，获得前沿性的原创发现。同时，由于卫星观测是空间天气预报模式输入数据的来源，而空间天气预报又是军事活动和民用技术系统运行稳定正常的重要保障，依赖外国数据也存在一定程度的风险与隐患。

中科院云南天文台的1米口径太阳望远镜

在本世纪初，我国科学家曾提出过“夸父计划”这一科学思想独特的空间探测计划。这个计划设想通过三颗探测器卫星，对太阳活动对地球附近空间天气的影响作出全面系统的探测。三颗卫星中，一颗部署在能够连续监测太阳的日地L1点上，另两颗则部署在距离地球较近的地球极轨上，三颗卫星的数据相互配合，能够形成从源头到结果的空间科学认知。然而，在后期项目执行的过程中，欧空局和加拿大的国际合作方由于自身财力和其他原因退出了项目，“夸父”计划也因此未能如期实现。

可喜的是，中国科学家后续提出的新的探测任务，已经走上了正轨。其中，受中科院空间科学先导卫星计划支持的“先进天基太阳天文台”（ASO-S）已经正式立项，目前进展到了初样研制阶段。这颗卫星计划使用技术较为成熟的长征-2D火箭发射，运行在地球附近的太阳同步晨昏轨道上。虽然仍然在地球附近工作，但这颗卫星能够摆脱地球大气对太阳观测的种种干扰，也不会因太阳落山而中断观测。它搭载的载荷可以对太阳全日面矢量磁场、莱曼阿尔法太阳望远、硬 X 射线成像仪又与类似轨道上工作的美国SDO探测器侧重点不同，不但能够实现我国空间太阳观测零的突破，还能和美国探测器的数据实现互补，共同推进人类对于太阳活动和太阳爆发的认识。

ASO-S卫星外型

11月3日，长征四号乙火箭执行高分七号发射任务时，同时将一颗搭载的微小卫星“精致高分试验卫星“送入了太空。这颗卫星在轨工作期间，成功的验证了超高指向精度和超高稳定度这两项并称为“双超”的技术。卫星在轨工作期间，自身的部件会产生微小的震动。这样的震动如果直接传导到望远镜等用于成像的有效载荷上，就会使得望远镜发生颤抖，指向精度和稳定度大打折扣。我们日常拍照时一旦“手抖”，就会拍出来比较模糊的照片。而观测太阳一些相对可见光暗弱的多的波段时，望远镜需要较长的曝光时间，一旦望远镜颤抖，就得不到能够满足研究需求的图像。精致高分卫星保持望远镜载荷稳定的办法，是利用磁浮技术将望远镜和卫星平台难以避免的震动隔离开，相当于是一个太空中的云台。未来，这项技术有望被应用到我国的另一颗太阳观测卫星中。

成功完成相关技术验证的高分精致卫星

太阳，既是宇宙中唯一一颗我们能够进行比较细致的观察研究的恒星，又是唯一一颗能够对人类的命运产生直接影响的恒星。未来，随着我们国家自己的太阳观测卫星“上线”，可以期待中国学者将在太阳物理和空间天气领域有影响更广泛深远的作为。

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