文/張唯誠(chéng)

2022 年10 月9 日， “夸父一號(hào)”（先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)，中國(guó)綜合性太陽(yáng)探測(cè)專用衛(wèi)星）向太陽(yáng)奔去?！翱涓敢惶?hào)”重約859 千克，運(yùn)行于720 千米高的晨昏太陽(yáng)同步軌道上。在這樣的軌道上運(yùn)行，衛(wèi)星可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)地對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行觀測(cè)，能最大限度地為科學(xué)載荷提供良好的觀測(cè)環(huán)境。

“夸父一號(hào)”的科學(xué)目標(biāo)是“一磁兩暴”，即太陽(yáng)磁場(chǎng)、太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射，它們是構(gòu)成太陽(yáng)活動(dòng)的關(guān)鍵要素。那么，“一磁兩暴”是怎么回事?太陽(yáng)活動(dòng)又隱藏著怎樣的奧秘呢？

太陽(yáng)活動(dòng)的“窗口”

人類對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的探索開(kāi)始于太空時(shí)代到來(lái)之前。1610 年，伽利略在一個(gè)霧氣朦朧的黃昏觀測(cè)到了太陽(yáng)黑子，由此，他推算出太陽(yáng)以大約每25 天一周的速度自轉(zhuǎn)著。然而，黑子究竟是什么？伽利略并不能回答這個(gè)問(wèn)題。

1825 年，德國(guó)天文學(xué)家薩穆埃爾·海因里?！な┩哓愑猛h(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽(yáng)，并堅(jiān)持不懈地描繪太陽(yáng)黑子。薩穆埃爾·海因里?！な┩哓惿?789年，是一位藥劑師。他熱愛(ài)天文學(xué)，且具有驚人的毅力。從1825 年開(kāi)始，他不間斷地描繪太陽(yáng)黑子，并一直堅(jiān)持了17 年。最后，他終于發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)的一個(gè)秘密，即太陽(yáng)黑子的數(shù)目會(huì)發(fā)生有規(guī)律的增減，且存在著一個(gè)周期。他認(rèn)為這個(gè)周期是10 年，比后來(lái)天文學(xué)界確定的11 年僅相差1 年。他的有關(guān)太陽(yáng)黑子周期的發(fā)現(xiàn)，是人類探索太陽(yáng)活動(dòng)的一個(gè)重大突破。

太陽(yáng)黑子的平均活動(dòng)周期，以黑子最少的年份為一個(gè)周期的開(kāi)始年，稱為“太陽(yáng)活動(dòng)寧?kù)o年”，黑子最多的年份則稱為“太陽(yáng)活動(dòng)峰年”。

那么，太陽(yáng)黑子究竟是什么呢？原來(lái)，太陽(yáng)表面有一些磁場(chǎng)聚集的地方，那里的溫度相對(duì)較低，看起來(lái)比周圍暗，因此在太陽(yáng)光球表面形成了斑點(diǎn)，這就是太陽(yáng)黑子。太陽(yáng)黑子是太陽(yáng)磁活動(dòng)的“窗口”，黑子增多通常被認(rèn)為是太陽(yáng)磁活動(dòng)加劇的表現(xiàn)，所以觀測(cè)太陽(yáng)黑子的狀況是了解太陽(yáng)活動(dòng)的重要途徑，也是人們預(yù)測(cè)和了解太陽(yáng)空間環(huán)境，即太空天氣的一個(gè)重要手段。

神秘的閃光

研究和觀測(cè)的結(jié)果表明，太陽(yáng)內(nèi)部的能量在多數(shù)情況下是近乎恒定地散發(fā)到宇宙空間中去的。然而，在太陽(yáng)活動(dòng)的峰年，太陽(yáng)有時(shí)會(huì)突然地在很短的時(shí)間里拋射極多的能量，人們將這種劇烈爆發(fā)稱為“太陽(yáng)風(fēng)暴”。它最典型的表現(xiàn)就是強(qiáng)烈的太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射。

太陽(yáng)耀斑是一種明亮的閃光，是太陽(yáng)的一種非同尋常的爆發(fā)性能量釋放，其散發(fā)的太陽(yáng)粒子流會(huì)猛烈地沖擊地球，進(jìn)而引發(fā)地球磁暴。日冕物質(zhì)拋射也是太陽(yáng)的能量釋放。日冕物質(zhì)拋射發(fā)生于太陽(yáng)的日冕層，是太陽(yáng)從日冕層拋射大量太陽(yáng)粒子流的強(qiáng)烈過(guò)程。

耀斑其實(shí)經(jīng)常發(fā)生，但劇烈的耀斑并不多見(jiàn)。科學(xué)家們推測(cè)，歷史上，太陽(yáng)一定發(fā)生過(guò)很強(qiáng)的耀斑，但基本上都沒(méi)有被記載下來(lái)。然而，似乎有一次，人們?cè)谔?yáng)上觀測(cè)到了很強(qiáng)的耀斑，它發(fā)生于1859 年9 月1 日。那次耀斑打擊了人類剛剛建立的電信網(wǎng)絡(luò)。假若那次事件發(fā)生在今天，情況就會(huì)變得十分嚴(yán)重。因?yàn)榻裉斓纳鐣?huì)高度依賴技術(shù)，復(fù)雜的電網(wǎng)和電信網(wǎng)絡(luò)為世界提供能源和信息支撐，一次那樣強(qiáng)烈的太陽(yáng)耀斑爆發(fā)很有可能使整個(gè)世界陷入一片混亂。

太陽(yáng)有時(shí)會(huì)在很短的時(shí)間里拋射極多的能量，形成太陽(yáng)風(fēng)暴沖擊地球

太陽(yáng)活動(dòng)周期之謎

然而，太陽(yáng)是捉摸不定的。有時(shí)候，到了一個(gè)新的活動(dòng)周期，太陽(yáng)卻并沒(méi)有變得活躍，它依然表現(xiàn)得很“寧?kù)o”，似乎太陽(yáng)的寧?kù)o期延長(zhǎng)了。在這種時(shí)候，人們便會(huì)懷疑下一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)極大期是否會(huì)如期到來(lái)。這種太陽(yáng)寧?kù)o期延長(zhǎng)的情況在歷史上已被證明是真實(shí)存在的。研究表明，在1645 年至1715 年的70 年間，太陽(yáng)黑子的活動(dòng)變得十分微弱，科學(xué)家們將這種情況稱為“蒙德極小期”或者“延長(zhǎng)的極小期”。

這表明，11 年的太陽(yáng)活動(dòng)周期有時(shí)會(huì)被“延長(zhǎng)”。使用各種方法，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一系列這樣的時(shí)期，它們存在的時(shí)間從50 年至200 年不等，每當(dāng)這樣的時(shí)期到來(lái)，地球往往會(huì)變得寒冷一些。種種跡象表明，“延長(zhǎng)的極小期”和地球的氣溫之間存在著某種聯(lián)系，但對(duì)確切的情況，人們了解得并不多。

假若“延長(zhǎng)的極小期”的確存在，它就必然存在著重新出現(xiàn)的可能性。它為何發(fā)生，存在怎樣的規(guī)律性，能給地球氣候帶來(lái)怎樣的影響，是人們急切地想知道的。至于以強(qiáng)烈的耀斑和日冕物質(zhì)拋射為特征的太陽(yáng)風(fēng)暴，更是惡劣太空天氣的源頭，是人類需要防范的。

太陽(yáng)黑子、太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射

正是出于上述原因，同時(shí)也出于對(duì)太陽(yáng)演化之謎的探索需求，人類從20 世紀(jì)60 年代以來(lái)便發(fā)射了很多的太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星，它們把人類對(duì)太陽(yáng)的研究帶入一個(gè)嶄新的時(shí)代。20 世紀(jì)90 年代，SOHO（太陽(yáng)和日球?qū)佑^測(cè)臺(tái)）發(fā)射升空，它探測(cè)了太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)大氣層和太陽(yáng)風(fēng)，還捕捉到一次壯觀的太陽(yáng)噴射現(xiàn)象，其噴射物的總質(zhì)量達(dá)100 億噸。20 世紀(jì)末至21 世紀(jì)初，“尤利西斯號(hào)”探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了人類從太陽(yáng)極地上空觀測(cè)太陽(yáng)的夢(mèng)想。進(jìn)入21世紀(jì)后，科學(xué)家們啟動(dòng)了一個(gè)系列性的太陽(yáng)活動(dòng)探測(cè)計(jì)劃，他們發(fā)射了一組太陽(yáng)探測(cè)器探測(cè)太陽(yáng)，包括“太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)”“太陽(yáng)探測(cè)器加號(hào)”“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”等。此后，還將有此系列的探測(cè)器陸續(xù)升空，它們將從不同的側(cè)面對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)和研究，從而揭示更多有關(guān)太陽(yáng)活動(dòng)的奧秘。

“夸父一號(hào)”的使命

2021 年10 月，我國(guó)發(fā)射了國(guó)內(nèi)首顆太陽(yáng)探測(cè)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號(hào)”?！棒撕吞?hào)”是一顆科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星，開(kāi)辟了我國(guó)太陽(yáng)探測(cè)的新時(shí)代。而“夸父一號(hào)”則預(yù)示著我國(guó)天基太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星的跨越式突破?？茖W(xué)家們賦予“夸父一號(hào)”非常明確的科學(xué)目標(biāo)，即研究太陽(yáng)磁場(chǎng)、耀斑和日冕物質(zhì)拋射，研究它們的形成、演化、相互作用和因果關(guān)聯(lián)，同時(shí)也為空間天氣預(yù)警提供支持。

表面上看，太陽(yáng)是一個(gè)閃耀著明亮光芒的球體，然而實(shí)際上，太陽(yáng)的真面目非常復(fù)雜和豐富。它釋放各種波長(zhǎng)的光，除可見(jiàn)光外，還有人眼無(wú)法看見(jiàn)的波長(zhǎng)更短的 γ 射線、X 射線和紫外線，以及波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外線、射電波等。

所以，要看清太陽(yáng)的“真面目”，人們就需要使用不同的觀測(cè)設(shè)備，它們各自擅長(zhǎng)觀測(cè)不同波長(zhǎng)的光，從而從不同的視角全面真實(shí)地探索太陽(yáng)的秘密?！翱涓敢惶?hào)”就是這樣一個(gè)集中了不同觀測(cè)設(shè)備的 “多面手”，它攜帶有3 種重要的載荷。

其中一臺(tái)是全日面矢量磁像儀。這是一臺(tái)太陽(yáng)磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備，用于繪制太陽(yáng)表面磁場(chǎng)。它的任務(wù)是追蹤太陽(yáng)活動(dòng)的源頭，進(jìn)而偵測(cè)并破解太陽(yáng)能量釋放的一系列奧秘。這臺(tái)儀器每18 分鐘就可以對(duì)全日面磁場(chǎng)進(jìn)行一次高精度成像，有助于完整、準(zhǔn)確地記錄太陽(yáng)磁場(chǎng)的變化。

第2 臺(tái)重要的載荷是萊曼阿爾法太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡，它采用了創(chuàng)新的雙波段設(shè)計(jì)方案，主要用來(lái)觀測(cè)日冕物質(zhì)拋射的形成和演化機(jī)制，為科學(xué)研究和空間天氣預(yù)報(bào)研究提供數(shù)據(jù)。

第3 臺(tái)重要的載荷是硬X射線成像儀，它的主要任務(wù)是監(jiān)測(cè)太陽(yáng)的耀斑活動(dòng)。所謂硬X射線是指能量較高的X射線。這臺(tái)硬X射線成像儀的主要科學(xué)目標(biāo)是在硬X射線波段對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行能譜和成像觀測(cè)，對(duì)研究太陽(yáng)耀斑的形成、演化機(jī)制和粒子加速過(guò)程具有極為重要的意義。

根據(jù)預(yù)測(cè)，2024 年到2025 年左右將是太陽(yáng)活動(dòng)的第25 周峰年（第25 個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期中黑子最多的年份）。而“夸父一號(hào)”選擇這個(gè)時(shí)間探索太陽(yáng)就是為了更好地達(dá)成探索太陽(yáng)活動(dòng)的科學(xué)目標(biāo)?！翱涓敢惶?hào)”的設(shè)計(jì)壽命不少于4 年，可以基本覆蓋太陽(yáng)峰年的極大期，這對(duì)觀測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)極為有利，可以觀測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)由少變多、逐漸活躍直至達(dá)到高峰的整個(gè)過(guò)程。在此，我們預(yù)祝“夸父一號(hào)”的“逐日”壯舉取得圓滿成功。

“夸父一號(hào)”