[科普中国]-太阳系与日球探测

太阳系探测

太阳系是以太阳为中心的所有受到太阳引力约束的天体集合体，包括8颗行星、165颗已确认的卫星、5颗已辨认的矮行星和数以亿计的太阳系小天体。这些小天体包括小行星、柯伊伯带的天体、彗星和星际尘埃等。太阳系探测是指利用航天器探测太阳系内各层次天体和行星际空间的深空探测活动。主要探测对象是太阳系内的行星(除地球外)、行星的卫星、矮行星、小天体和行星际空间环境,主要探测方式包括飞越探测、环绕探测、不载人软着陆探测、巡视探测、载人环绕和登陆考察、不载人或载人采样返回等。1

1957年,前苏联发射了第一颗人造地球卫星Sputnik，开启了人类探测太阳系和宇宙空间的新时代。从1958年8月17日美国发射第一颗月球探测器“Pioneer 0号（先驱者0号）”开始，到首次实现对月球、金星、火星、太阳、水星、木星、土星、小行星与彗星等太阳系天体与行星际空间的探测，离地球最远的航天器(1977年发射的“旅行者1号”)甚至已经通过太阳系的日球层边界。进入21世纪以来,又实施了水星探测(“信使号”)、矮行星探测(“黎明号”对谷神星和灶神星，“新地平线号”对冥王星的探测)等任务。截至目前，人类发射的航天器已经探测过太阳系内的所有行星和主要天体类型，形成了我们对太阳系的主要认识。1

半个多世纪的太阳系探测取得了丰硕的科学成果，回顾太阳系探测的历程，主要包括：

显著带动人类社会的科学创新、技术突破和应用拓展；

加深了我们对宇宙尤其是太阳系的认知、拓展了人类知识疆界；

提高了人类认识和保护地球、拓展生存和活动空间的能力。通过寻找人类潜在的地外宜居地,有助于实现地球和人类社会的可持续发展；

激励了人类特别是年轻一代的探索、发现和挑战精神。1

发展趋势21世纪的太阳系探测将以月球和火星探测为主线，从月球走向火星的大方向已经明确，同时将适当开展巨行星及其卫星、金星、小天体和太阳探测。截至2014年，人类共计进行了255次太阳系探测任务。从首次探测任务的目标天体月球来看，人类开展太阳系探测从离地球最近的月球起步，然后逐渐扩展到离地球最近的两颗行星——火星和金星，接着扩展到太阳、太阳系其他天体、巨行星和小天体。1

通过50多年的探测，人类对太阳系的全景已经有了整体认识，类似“旅行者1号”、“旅行者2号”那样的太阳系穿越任务的科学回报将不再显著。未来太阳系探测将聚焦某些重点天体。包括月球、火星、小行星、金星、木星以及木卫一和木卫二(Europa)、土星以及土卫二(Enceladus)和土卫六(Titan)。同时,适当兼顾其他天体，使探测任务覆盖太阳系内的主要天体类型，精细刻画太阳系的结构。1

除月球和火星之外，小天体是未来太阳系探测的重点目标之一。小行星和彗星的探测和采样返回对太阳系的形成和演化、生命的起源和演化这两个基本科学问题的求解具有重要意义，因此在未来太阳系探测中占有重要地位。1

20世纪90年代以前，太阳系探测以技术实现为主要目标，服务于展示国家航天技术能力和国防实力的政治目的。而90年代以来的新一轮探测活动，主要以科学为驱动，并逐渐向科学引领方向转变。1

从20世纪50年代末到80年代，只有前苏联和美国开展过太阳系探测。90年代至今，欧空局、俄罗斯、日本、中国和印度纷纷开展各类太阳系探测任务，从两强争霸到群雄逐鹿，多国参与和国际合作将成为太阳系探测的必然趋势。1

日球探测太阳既是离人类最近的一颗典型的恒星，对太阳的探索和研究将为我们提供宇宙中其他恒星上所发生的基本的天体物理过程和规律；同时，太阳也是对人类生存环境和地球附近空间作用和影响最大的天体，研究和探索太阳演化和活动的基本规律，增强我国对太阳风暴的监测、预报和警报能力，满足国民经济建设、社会发展和国家安全的需求。2

太阳研究中还存在着许多重要的问题悬而未决，例如太阳内部结构理论、太阳活动周的起源、太阳耀斑和日冕物质抛射的触发机制、色球和日冕的反常加热问题、太阳风的加速等、认识太阳活动对人类社会生存环境和地球附近空间环境的作用和灾害性的影响是很重要的。2

我国的太阳探测应实现远离地球的定点太阳观测、太阳极轨观测和太阳风暴的卫星阵观测。探测太阳矢量磁场、速度场和辐射场，研究太阳磁场和太阳活动的起源和演化，揭示太阳耀斑和日冕物质抛射等爆发现象的物理机制；探索太阳风的起源和太阳整体磁场的形成机制；追踪和诊断太阳风暴在日地空间的传播过程及其对近地空间环境的灾害性影响，提高对太阳风暴的预报和警报能力。2

定点太阳观测在距地球约1 50万千米的第一拉格朗日点(L1)进行太阳探测，与近地轨道相比，可减小多普勒偏离对磁场和光谱测量的影响，提高测量精度；可提前0.5~2小时探测到太阳扰动和各种粒子，有利于太阳风暴的监测和预警；任何时候均不受地球遮挡，可连续获得实时数据；不受地球辐射带影响，有利于设备的长期运行；探测器的姿态容易实现稳定指向．因此，L1点是理想的深空太阳观测位置。

通过大口径、高分辨的太阳磁场望远镜，观测太阳磁场、速度场，认识太阳磁场的基本结构和演化特征；通过与高分辨率的极紫外成像仪、Hα和白光成像仪、莱曼阿尔法成像仪、高能辐射谱仪和粒子探测包、太阳和行星际射电频谱仪的协同观测，研究色球和日冕加热、太阳耀斑和日冕物质抛射的源区特性、太阳耀斑的非热过程和粒子加速、太阳风暴在行星际空问的传播过程等，揭示太阳耀斑和日冕物质抛射中能量存储和释放的物理本质，为太阳活动预报提供重要的物理依据。2

太阳极轨观测探测太阳极区的磁场结构和演化、等离子体动力学特征是解释太阳活动周的形成机制、太阳磁场的起源、色球和日冕的加热机制、高速太阳风的加速过程的重要科学依据。由于在黄道面无法对太阳极区进行观测，因此，开展太阳极轨探测是非常必要的。太阳极区磁场很可能是太阳发电机的种子磁场，但从未被俯视观测过，太阳极区是否存在对流过程也从未被确切诊断，因而太阳极轨观测成为太阳物理研究中的重大关键。另外，高速太阳风和太阳爆发活动是影响人类生存环境的最主要的两类太阳物理过程。极区是高速太阳风的源区，迄今为止人类对太阳风加速的位置、初始高度、磁场和等离子体环境尚无清晰的认识。因此，进行极区太阳风初始加速的直接观测，对认识太阳风的起源有决定性的意义。

因此，通过太阳极轨探测器，首次对太阳极区的磁场、速度场和辐射场进行俯视成像和光谱观测，可揭示太阳极区物理场的基本特征及其变化，探索告诉太阳风的起源和太阳整体磁场的形成机制。2

太阳风暴的卫星组阵观测由于地球电离层影响，在地面无法对太阳电磁风暴从太阳表面到近地空间的传播过程进行甚低频射电连续全景成像观测。在偏离日地联线的引力平衡点第四拉格朗日点(L4)或第五拉格朗日点(L5)，或者在地球绕日轨道偏离45度的深空位置，由多颗微小探测器编队组阵进行太阳甚低频成像观测，能够跟踪太阳活动现象在日地空间传播过程，获取太阳风暴前兆、初发及其日地空间环境响应的重要信息，结合其他载荷实现从太阳附近到近地空间对太阳风暴的观测，研究太阳风暴在日地空间传播的基本规律，为灾害性空间天气事件的预报警报提供可靠依据。

因此，发射多颗微小探测器．在深空进行编队组阵，通过综合孔径技术在0.3~30MHz甚低频频段进行射电干涉成像，结合主星上搭载的磁像仪、日冕仪和硬X射线成像仪等，实现从太阳表面以上4~5个太阳半径处到近地空间的日冕物质抛射、太阳风、高能粒子辐射等现象的连续全景成像跟踪，认识太阳风暴对近地空间环境的灾害性影响。2