中国的探日问天丨看过了星辰大海，但我们对太阳的探索还深处未知

太阳，人们眼里最耀眼的天体，地球上万物生长之源，她带给我们春光明媚、夏花满园、秋果累累、冬雪飞舞，太阳让我们的世界生机盎然，绚烂多彩。然而，许多人所不知道的是，太阳有时也会给人类带来灾难。

1989年3月13日凌晨2点左右，加拿大魁北克地区的人们突然发现停电了，空调、暖气、电梯、照明、地铁、火车、机场全都陷入停顿，连医院的手术台都变成了漆黑一遍。这一停就是12个小时，近600万人在摄氏零下20度的严寒中苦熬，许多人还失去了生命。这次停电波及了魁北克及北美周边地区。事后人们查明，这次灾难源于3、4天前，也就是当年3月9日和10日太阳上发生的两次强烈的耀斑爆发，高速抛出了大量等离子体团，汇合成流冲击地球磁场，并在北美电网中产生了额外的感应电流，造成电网严重过载，烧毁了变压器等设备，从而导致大面积停电。

2003年万圣节期间，一系列太阳耀斑爆发，导致了欧美和我国一些科学卫星受到损坏，全球卫星通信受到干扰，GPS定位功能出现了严重偏差，一些需要即时通信和定位的交通系统不同程度地瘫痪，史称“万圣节风暴”。太阳风暴对航空、航天卫星通信与导航、大电网运行、大国安全等高技术系统都有非常强的破坏作用，如何可靠预测太阳风暴的发生，对高度依赖上述高技术系统的当今社会尤为重要。

图1：太阳风暴示意图

无论是太阳耀斑，还是日冕物质抛射，归根结底都源于太阳磁场。变化的太阳磁场不仅可以在太阳光球层产生黑子，还能触发太阳耀斑和日冕物质抛射的发生。为了研究太阳风暴的起源和发生规律，科学家们研制建造了各式各样的地基或天基太阳望远镜。其中，地基太阳望远镜成本相对较低，维护运行方便。例如，中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地的太阳磁场望远镜、明安图观测基地的太阳射电频谱日像仪MUSER、云南天文台位于抚仙湖畔的一米真空太阳望远镜NVST等。但是，一方面由于地球自转影响地基望远镜只能白天观测，另一方面由于地球大气的吸收、屏蔽和干扰，在许多波段，如紫外波段、X射线波段等都无法观测太阳。于是，空间太阳望远镜就成了人们研究监测太阳最重要的利器。上世纪60年代以来，世界各国先后发射了70多颗太阳观测卫星。2018年，美国“帕克”（Parker）太阳探测器发射升空，以前所未有的近距离观测研究太阳并取得了大量科学成果。然而，作为航天大国的中国，却在探日问天的太空之旅中至今尚处空白！

图2：我国主要的太阳观测基地

作为中国科学院战略性先导专项之一的“先进天基太阳天文台”（ASO-S）将于2021年底前后发射升空，从而将填补中国太空探日问天的空白。“先进天基太阳天文台”将携带3台仪器，即全日面矢量磁像仪观测太阳磁场，硬X射线成像仪专门观测太阳耀斑爆发的非热现象，莱曼阿尔法太阳望远镜专门观测日冕物质抛射。

除了3台仪器的组合特色外，它们又各有自己的特色。比如，全日面矢量磁像仪的时间分辨率相对较高；硬X射线成像仪拥有国际上同类望远镜中最多的99个探测器；莱曼阿尔法太阳望远镜本身就工作在一个国际上最新的观测波段窗口上。

为了研制上述探测设备，需要攻克大量关键技术难题。比如，硬X射线成像仪的99个探头相当于99个小眼睛，这些小眼睛前面是由硬金属加工的光栅构成的，X射线光子需要穿过光栅中的缝隙，最窄的缝隙只有18微米，比头发丝还要细，加工难度非常大，还需要综合考虑热胀冷缩、空间环境恶劣、经历发射过程等因素。莱曼阿尔法太阳望远镜无论是在国内还是在国外都是一个全新的观测窗口，没有先例可以借鉴，一切都需从零开始摸索。

“先进天基太阳天文台”将在距离地表720公里的太阳同步轨道上运行，该轨道穿过地球南北两极，倾角98度，可以确保24小时对太阳进行连续不断地观测。它预期在轨运行时间将不少于4年。这期间正好处于太阳第25活动周的峰年期间，将对这期间的太阳强烈爆发活动进行多波段、高质量的观测、研究，为灾害性空间天气事件的预测预报提供可靠依据。

事实上，太阳只是浩瀚星空中亿万颗恒星中最普通的一颗，她之所以最耀眼，仅仅是因为她离我们最近，因此也是被我们观测得最仔细、空间分辨水平最高的一个恒星样本，也是能被我们详细观测的空间尺度最大的等离子体大火球，它可以作为现代天体物理和等离子体物理的天然实验室，对太阳的高分辨率、多波段观测将极大地推动天体物理和基础等离子体物理等学科的发展，这里蕴含着重大科学发现的机遇。

图3：我国“先进天基太阳天文台”上的主要探测器

长期以来，我国的太阳物理研究论文总数位居世界第二，但是大都依赖欧美太阳观测卫星提供的观测数据，这在一定程度上构成了“卡脖子”的问题。因为太阳物理的研究和观测水平直接关系到空间天气预测预报的能力，而空间天气的预测预报又关系到航空、航天卫星通信与导航、国家安全等一系列国家重大需求，如果没有自主的观测数据系统，一旦欧美大国对我们关闭相关的观测数据，我们的各种高技术系统将面临瘫痪的风险。“先进天基太阳天文台”发射上天后，同时结合一系列地基太阳观测设备，我们不仅将拥有第一手的、自主的多波段太阳观测数据，突破被卡脖子的风险，同时也将为国际天文学研究贡献中国的力量。

“先进天基太阳天文台”之后，我国科学家们还将继续在探日问天之旅上推进一系列最新型的地基和空间太阳探测计划，使我国彻底摆脱对欧美大国的依赖，真正成为世界航天强国。

作者丨谭宝林 中国科学院国家天文台

审稿丨庞之浩 全国空间探测技术首席科学传播专家

文章由腾讯“全民爱科学”团队推出

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