我们为什么要“拥抱”太阳？（瞰前沿）

本文转自：人民日报

陈鹏飞

图①：综合性太阳探测卫星“夸父一号”。

资料图片

图②：太阳观测卫星“羲和号”。

南京大学天文与空间科学学院供图

图③：中国科学院国家天文台磁场望远镜。

中国科学院国家天文台供图

图④：我国自主研制的业务静止气象卫星风云二号E星，具有监测太阳活动的功能。

 中国气象局供图

太阳，这颗距离我们最近的恒星，既是地球生命的摇篮，也是人类文明的基石。从原始部落的篝火崇拜到现代社会的清洁能源革命，从伽利略望远镜下的黑子观测到帕克太阳探测器穿越日冕，人类对太阳的认知逐步深入，在持续不断的“逐日”中了解太阳，在日升日落的轮回里解码自然。

约100年前，英国天文学家爱丁顿曾对爱因斯坦说，受不透明度的影响，太阳和其他恒星内部是宇宙中最难以探测的结构。1962年，加州理工大学教授莱顿就偶然发现，太阳表面并非平静如镜，而是一直在振荡，仿佛在“呼吸”。在这一发现的30年后，天文学家根据太阳表面的振荡反演出了太阳的内部结构。透过太阳的“呼吸”，人们进一步认识了太阳。

太阳的影响

呵护万物生长，也“变幻无常”

大约在46亿年前，一个由气体夹杂着尘埃的巨大星云在引力扰动下开始坍缩，随着物质向中心聚集，99.86%的质量形成了原始太阳，其余则逐步汇聚成八大行星、矮行星和小行星，其中就有我们的地球。经过约3亿年的漫长演化，地球上诞生了原始生命。

到目前为止，地球仍是我们所知唯一存在生命的星球。生命之所以能够在地球上出现并呈现千姿百态，离不开赖以生存的太阳，太阳为生命的存在和繁衍提供了不可或缺的光和热。更重要的是，太阳大气日冕不断往外运动形成太阳风，从而吹出一个被称为日球层的巨大“襁褓”，将太阳系八大行星包裹其中。日球层为我们阻挡了70%的宇宙射线，从而使得地球能够在诡谲多变的浩瀚宇宙中偏居一隅、岁月静好。

然而，太阳也有自己的“脾气”。太阳上的各种爆发现象，如太阳耀斑和日冕物质抛射，释放出来的能量相当于上百亿颗原子弹的当量，并将几十亿吨的物质高速抛向太空。一旦这些物质撞向地球，有可能产生强烈的地磁暴，严重干扰卫星运行、通信导航，甚至电网和石油管道的安全。1989年的太阳爆发导致加拿大魁北克省水电站的变压器烧毁，2022年的太阳爆发导致40颗星链卫星坠入大气层。太阳上面还点缀着大大小小的黑子，黑子时多时少，呈现一个平均约11年的周期。黑子越多、太阳越亮，这就使得太阳亮度同样呈现一个11年的变化周期。虽然这种亮度变化幅度很小，却足以影响地球的树木年轮、洪水，甚至是小麦的价格。1645—1715年期间，太阳上出现了几乎没有黑子的“蒙德极小期”，这正好对应地球上小冰期最冷的一段时间。

地球绕太阳的轨道也不是一成不变的，其他行星对地球的引力会让地球的轨道变得更加扁平，地球就会周期性经历寒冷的冰期。随着太阳逐渐变老，太阳的亮度会稳步增加。10亿年后，太阳的亮度会增加10%，届时江海湖泊都将蒸干。50多亿年后，不断膨胀的太阳甚至可能把地球吞没。

探索的脚步

从举头“望日”到抵近“探日”

黑子是太阳上最早被发现的神秘特征。在望远镜发明之前，人类通过肉眼只能看到很大的黑子，我国古籍中有上百次关于太阳黑子的记载。1609年，伽利略发明天文望远镜之后，黑子的数目得以每日记录；1843年，施瓦布发现太阳黑子存在11年的周期；1859年，卡林顿在观测太阳黑子时意外发现了太阳耀斑现象。到了20世纪，随着望远镜性能的不断提高，越来越多的太阳结构特征和太阳运动陆续被观测到：1941年观测发现日冕的温度高达百万度，1959年卫星测量证实日冕以数百公里每秒的速度往外运动形成太阳风，1962年发现太阳表面的五分钟振荡，1971年发现日冕物质抛射现象……

工欲善其事，必先利其器。每一次望远镜性能的提升都给太阳物理带来新的发现，甚至引发我们对太阳的全新认识。400多年前伽利略观测太阳黑子的望远镜直径只有1.5厘米，而目前全世界最大的太阳可见光望远镜直径达4米。在我国，1979年建成的南京大学太阳塔为太阳耀斑的光谱研究作出了卓越贡献，1984年建成的中国科学院国家天文台磁场望远镜为研究太阳磁场的长期演化提供了宝贵资料，2012年建成的云南天文台红外太阳望远镜使我国的太阳观测研究进入世界第一梯队。如今，我国的1.8米太阳望远镜已初步建成，2.5米太阳望远镜也正在研制。这两台望远镜都采用了自适应光学技术，可以最大程度降低地球大气抖动对观测带来的影响。

我国在太阳空间探测方面起步较晚，2001年神舟二号飞船上搭载了太阳X射线和伽马射线探测器；2021年8月发射的风云气象卫星搭载了我国首个X射线和极紫外成像仪；同年10月，我国发射了羲和号太阳探测卫星，在国际上首次实现全日面色球光谱空间观测，并得到了太阳低层大气自转角速度随高度和纬度的分布。目前，10余个国家的科研人员正在分析羲和卫星数据。2022年10月，我国发射了夸父一号太阳探测卫星，可同时测量太阳表面的磁场演化、监视太阳耀斑和日冕物质抛射过程。

我国古代的“逐日”神话，已经变成了如今抵近“探日”的现实。

人类与太阳

从探索奥秘到生活应用

日升日落，从未停息，我们所熟悉的太阳蕴藏着大量奥秘：太阳内部是如何分布的、太阳磁场是如何产生的、日冕是如何被加热到上百万摄氏度（太阳表面温度约5500摄氏度）的、日冕磁场是如何分布的、太阳爆发是如何触发的、太阳爆发会对地球产生多大的影响……

为了破解这些奥秘，科研人员在分析现有观测数据的同时，也在规划未来的探测路径。对于太阳内部结构，所有的电磁波都难以窥见其真容，中微子却可以，我国学者正在建造中微子探测器以研究太阳内部的精确分布；对于日冕加热问题，美国和日本都有卫星发布计划，我国科研人员也在筹划抵近探测卫星；对于日地空间环境，美国和我国都正在筹划立体探测网；对于太阳爆发及其对地球的影响，我国正计划在日地第五拉格朗日点部署羲和二号卫星；对于太阳磁场的起源，美国和我国同行都在筹划太阳极轨卫星，以期首次实现对太阳极区的正面成像。

经常会有人问：研究太阳，意义在哪里？科研的目的，一是拓展人类的认知边界，探索大自然的奥秘；二是引领新技术的发展。比如，地外天体通常距离我们非常遥远，天文探测经常面临的是极微弱信号，对分辨极微弱信号的需求大大促进了新技术的进步。太阳物理研究非常重要。一方面，太阳上的各种结构和爆发现象也会出现在其他恒星上或黑洞周围，但唯有太阳可以被我们在相对较近的距离观测，对太阳的研究可以为探索其他天体的奥秘提供不可或缺的参考；另一方面，太阳爆发会对人类产生灾害性影响，因此，对太阳的研究可以为预报以及减少这些灾害性影响提供理论基础。在未来，如果火星移民和星际探索成为现实，我们需要考虑的一个重要问题就是在太空中避免太阳爆发产生的高能粒子轰击我们的身体。

目前，不仅科研人员可以利用专业观测图片对大众进行科普，随着技术的不断更新和普及，有些天文爱好者利用望远镜产生的观测资料已经可以用来进行科学研究了。抬头望向耀眼的太阳，更多人正在以不同的方式做自己的“夸父”，进一步了解太阳、拥抱太阳。

（作者为南京大学天文与空间科学学院教授）