探索太阳活动的奥秘

文/张唯诚

2022 年10 月9 日， “夸父一号”（先进天基太阳天文台，中国综合性太阳探测专用卫星）向太阳奔去。“夸父一号”重约859 千克，运行于720 千米高的晨昏太阳同步轨道上。在这样的轨道上运行，卫星可以长时间连续地对太阳进行观测，能最大限度地为科学载荷提供良好的观测环境。

“夸父一号”的科学目标是“一磁两暴”，即太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射，它们是构成太阳活动的关键要素。那么，“一磁两暴”是怎么回事?太阳活动又隐藏着怎样的奥秘呢？

太阳活动的“窗口”

人类对太阳活动的探索开始于太空时代到来之前。1610 年，伽利略在一个雾气朦胧的黄昏观测到了太阳黑子，由此，他推算出太阳以大约每25 天一周的速度自转着。然而，黑子究竟是什么？伽利略并不能回答这个问题。

1825 年，德国天文学家萨穆埃尔·海因里希·施瓦贝用望远镜观测太阳，并坚持不懈地描绘太阳黑子。萨穆埃尔·海因里希·施瓦贝生于1789年，是一位药剂师。他热爱天文学，且具有惊人的毅力。从1825 年开始，他不间断地描绘太阳黑子，并一直坚持了17 年。最后，他终于发现了太阳的一个秘密，即太阳黑子的数目会发生有规律的增减，且存在着一个周期。他认为这个周期是10 年，比后来天文学界确定的11 年仅相差1 年。他的有关太阳黑子周期的发现，是人类探索太阳活动的一个重大突破。

太阳黑子的平均活动周期，以黑子最少的年份为一个周期的开始年，称为“太阳活动宁静年”，黑子最多的年份则称为“太阳活动峰年”。

那么，太阳黑子究竟是什么呢？原来，太阳表面有一些磁场聚集的地方，那里的温度相对较低，看起来比周围暗，因此在太阳光球表面形成了斑点，这就是太阳黑子。太阳黑子是太阳磁活动的“窗口”，黑子增多通常被认为是太阳磁活动加剧的表现，所以观测太阳黑子的状况是了解太阳活动的重要途径，也是人们预测和了解太阳空间环境，即太空天气的一个重要手段。

神秘的闪光

研究和观测的结果表明，太阳内部的能量在多数情况下是近乎恒定地散发到宇宙空间中去的。然而，在太阳活动的峰年，太阳有时会突然地在很短的时间里抛射极多的能量，人们将这种剧烈爆发称为“太阳风暴”。它最典型的表现就是强烈的太阳耀斑和日冕物质抛射。

太阳耀斑是一种明亮的闪光，是太阳的一种非同寻常的爆发性能量释放，其散发的太阳粒子流会猛烈地冲击地球，进而引发地球磁暴。日冕物质抛射也是太阳的能量释放。日冕物质抛射发生于太阳的日冕层，是太阳从日冕层抛射大量太阳粒子流的强烈过程。

耀斑其实经常发生，但剧烈的耀斑并不多见。科学家们推测，历史上，太阳一定发生过很强的耀斑，但基本上都没有被记载下来。然而，似乎有一次，人们在太阳上观测到了很强的耀斑，它发生于1859 年9 月1 日。那次耀斑打击了人类刚刚建立的电信网络。假若那次事件发生在今天，情况就会变得十分严重。因为今天的社会高度依赖技术，复杂的电网和电信网络为世界提供能源和信息支撑，一次那样强烈的太阳耀斑爆发很有可能使整个世界陷入一片混乱。

太阳有时会在很短的时间里抛射极多的能量，形成太阳风暴冲击地球

太阳活动周期之谜

然而，太阳是捉摸不定的。有时候，到了一个新的活动周期，太阳却并没有变得活跃，它依然表现得很“宁静”，似乎太阳的宁静期延长了。在这种时候，人们便会怀疑下一个太阳活动极大期是否会如期到来。这种太阳宁静期延长的情况在历史上已被证明是真实存在的。研究表明，在1645 年至1715 年的70 年间，太阳黑子的活动变得十分微弱，科学家们将这种情况称为“蒙德极小期”或者“延长的极小期”。

这表明，11 年的太阳活动周期有时会被“延长”。使用各种方法，科学家们发现了一系列这样的时期，它们存在的时间从50 年至200 年不等，每当这样的时期到来，地球往往会变得寒冷一些。种种迹象表明，“延长的极小期”和地球的气温之间存在着某种联系，但对确切的情况，人们了解得并不多。

假若“延长的极小期”的确存在，它就必然存在着重新出现的可能性。它为何发生，存在怎样的规律性，能给地球气候带来怎样的影响，是人们急切地想知道的。至于以强烈的耀斑和日冕物质抛射为特征的太阳风暴，更是恶劣太空天气的源头，是人类需要防范的。

太阳黑子、太阳耀斑和日冕物质抛射

正是出于上述原因，同时也出于对太阳演化之谜的探索需求，人类从20 世纪60 年代以来便发射了很多的太阳探测卫星，它们把人类对太阳的研究带入一个崭新的时代。20 世纪90 年代，SOHO（太阳和日球层观测台）发射升空，它探测了太阳的结构、太阳大气层和太阳风，还捕捉到一次壮观的太阳喷射现象，其喷射物的总质量达100 亿吨。20 世纪末至21 世纪初，“尤利西斯号”探测器实现了人类从太阳极地上空观测太阳的梦想。进入21世纪后，科学家们启动了一个系列性的太阳活动探测计划，他们发射了一组太阳探测器探测太阳，包括“太阳动力学观测台”“太阳探测器加号”“帕克太阳探测器”等。此后，还将有此系列的探测器陆续升空，它们将从不同的侧面对太阳进行全方位的监测和研究，从而揭示更多有关太阳活动的奥秘。

“夸父一号”的使命

2021 年10 月，我国发射了国内首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”。“羲和号”是一颗科学试验卫星，开辟了我国太阳探测的新时代。而“夸父一号”则预示着我国天基太阳探测卫星的跨越式突破。科学家们赋予“夸父一号”非常明确的科学目标，即研究太阳磁场、耀斑和日冕物质抛射，研究它们的形成、演化、相互作用和因果关联，同时也为空间天气预警提供支持。

表面上看，太阳是一个闪耀着明亮光芒的球体，然而实际上，太阳的真面目非常复杂和丰富。它释放各种波长的光，除可见光外，还有人眼无法看见的波长更短的 γ 射线、X 射线和紫外线，以及波长更长的红外线、射电波等。

所以，要看清太阳的“真面目”，人们就需要使用不同的观测设备，它们各自擅长观测不同波长的光，从而从不同的视角全面真实地探索太阳的秘密。“夸父一号”就是这样一个集中了不同观测设备的 “多面手”，它携带有3 种重要的载荷。

其中一台是全日面矢量磁像仪。这是一台太阳磁场测量设备，用于绘制太阳表面磁场。它的任务是追踪太阳活动的源头，进而侦测并破解太阳能量释放的一系列奥秘。这台仪器每18 分钟就可以对全日面磁场进行一次高精度成像，有助于完整、准确地记录太阳磁场的变化。

第2 台重要的载荷是莱曼阿尔法太阳望远镜，它采用了创新的双波段设计方案，主要用来观测日冕物质抛射的形成和演化机制，为科学研究和空间天气预报研究提供数据。

第3 台重要的载荷是硬X射线成像仪，它的主要任务是监测太阳的耀斑活动。所谓硬X射线是指能量较高的X射线。这台硬X射线成像仪的主要科学目标是在硬X射线波段对太阳进行能谱和成像观测，对研究太阳耀斑的形成、演化机制和粒子加速过程具有极为重要的意义。

根据预测，2024 年到2025 年左右将是太阳活动的第25 周峰年（第25 个太阳活动周期中黑子最多的年份）。而“夸父一号”选择这个时间探索太阳就是为了更好地达成探索太阳活动的科学目标。“夸父一号”的设计寿命不少于4 年，可以基本覆盖太阳峰年的极大期，这对观测太阳活动极为有利，可以观测太阳活动由少变多、逐渐活跃直至达到高峰的整个过程。在此，我们预祝“夸父一号”的“逐日”壮举取得圆满成功。

“夸父一号”