10月14日在太原卫星发射中心,中国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”搭载长征二号丁运载火箭成功升空,开启种花家自己的太阳探测之路。羲和这个名称是来自于古代神话中的太阳女神名字,蕴含着“效法羲和驭天马,志在长空牧群星”的含义。

人类追逐太阳的历程是从图腾崇拜时代开始,原始土著人群曾经将太阳当作神明来崇拜,我们自己的古籍中也有关于太阳的记载。世界公认的最早太阳黑子记载是在《汉书五行志》上:“成帝河平元年三月乙未,日出黄,有黑气,大如钱,居日中央”。而西方直到1610年,意大利天文学家伽利略首次用望远镜看到了太阳黑子,发现黑子是太阳表面非常普遍的现象。

直到今天研究太阳的脚步也没有停下来,仍然驶向深处。近十年,宇航技术、深空探索取得越来越多的成绩,SpaceX成功回收火箭,贝索斯家的蓝色起源将自家老板贝索斯送上太空,载人航天进入商业化阶段,航天技术的快速发展下,探日的技术也紧随其后。人类追逐太阳的脚步一直向前,为什么人们热衷研究太阳?目前研究成果有哪些?在追逐太阳的路上遇到了什么挑战和难题呢?

为什么研究太阳?

我们从书上学到的知识解释是,太阳是内部不停发生着核聚变,导致不断发光发热的一颗恒星,由于太阳的巨大质量使得太阳系其他行星都围绕着它旋转。太阳的巨大热量给了地球生物赖以生存的能量。太阳的引力下,地球的自传和公转给了生物生命的多样性,太阳与地球的生态环境息息相关。

而太阳表面的日冕层,每天都会有无数的带电粒子流向外辐射,这些带电粒子流也被称为太阳风,地球也在它的扫射范围内,这些粒子流以超过 500 公里/秒的速度源源不断地向地球袭来,干扰着地球的磁场,破坏地球电离层的结构,造成无线电通信中断。

这些狂暴的太阳风会给人类的生产、生活带来巨大影响:

1．狂暴的太阳风对地球周围的所有卫星都会造成破坏性影响,严重干扰卫星内部电子设备的功能运行。

2．太阳风会对在空间站驻留的宇航员身体健康造成影响。

3．太阳粒子影响近地环境地面的电磁信号,一旦被太阳风暴击中,就会导致地球一些区域的断电断网,这些区域内所有和网络、电力相关的经济活动和生活停摆,造成的经济损失巨大。

而对太阳的研究会得以了解太阳风、太阳粒子等与近地环境的相互作用,掌握太阳风的规律与特性对空间天气和航天器等正常运作提供帮助,降低或规避对近地环境的不利影响。从最早的先驱者号到比水星还靠近太阳的太阳轨道器,国际上已经开展了多项对太阳的探测任务,探索太阳的技术与工具也在这几十年发生了变化。

从天文望远镜到卫星

肉眼观测外,最早研究太阳的工具就是天文望远镜了,人类透过这个工具观测到了很多行星的运行规律。这些望远镜通常配有特殊的滤光片,以遮住太阳光的有害部分。专业的天文学家运用的是更加先进的仪器观测太阳表面和日冕层,需要不同光谱的天文望远镜。而雷达观测研究的方向主要是太阳的辐射,声学干涉测量法等技术来研究太阳的内部。卫星可以探测到太阳的粒子流和无线电频率等,可远程观测到太阳表面和接近地球的空间天气。

随着宇航技术的深入发展,运用卫星探测器来观测太阳是最主要的工具和方式。在太空中进行太阳探测的益处不只是距离变近,范围也呈数量级增长,由于地球大气层的存在,大部分的光波段辐射,比如大部分紫外和红外线、X射线和伽马射线等高能辐射,在到达地面前就被地球大气吸收。如果在地面上对太阳进行观测,只能观测到可见光和有限的射电辐射,这样有限的范围对于太阳的研究来说比较狭隘。而卫星的优势在于能够完全脱离地球大气的影响,从各个波段研究太阳,从而描绘出一幅完整的太阳图像。

目前在轨运行的最优秀太阳探测器就是美国NASA在2018年发射的帕克号太阳探测器,它创造了有史以来最接近太阳的人造物体的记录,其设定的距离是约为610万公里,这个距离意味着探测器需要进入日冕层,我们知道日冕层的温度特别高(帕克需要克服1400℃的高温),其不仅要忍受高温还要保持内部几十度室温的正常运行,这难度和技术令人发麻。

从天文望远镜到雷达,再到卫星近距离观测,都面临技术挑战:

1．升空的卫星为了保证高的精确度分析,必须设计多层安全冗余系统,来保证数据的可靠性避免被太阳风的高能电子流影响。

2．像制作类似帕克或者超越帕克的太阳探测器,在近距离观测太阳时,必须制备出耐超高温的材料,探测器的内外都需要这些特殊材料的加持,寻找和合成这些超导耐高温的材料极其困难。

3．太阳的磁极在一个太阳周期(11年)会有磁极翻转的现象,需要工作寿命长的卫星对其整个太阳周期的活动进行完整的观测。

4．不仅要防备太阳风暴的侵袭,太阳探测器也需要设计研发具备防止其他太空高能电离子的干扰和影响。

深空的超远飞行是航天科技实力的巅峰,尤其是向着太阳这个超高温火炉飞去,不仅要解决超远距离的能源问题、复杂温变环境、太阳风暴……还要从容应对数亿公里漫长旅程中随时出现的危机。可谓是每一秒的距离都充满意外和困难。在这样的条件下,这些太阳探测器还是为人类的研究带来了极大的助益。

逐日到未来

航天技术自1960年开始发展,科学家也开始着手探测和研究太阳活动,目前全世界已经发射了70多颗太阳观测卫星,主要聚焦于太阳黑子、耀斑日冕等表面物质抛射的观测研究。我们知道近代的太阳研究主要聚焦的也是对太阳结构、磁场、黑子等进行综合观测和近地观测。因为篇幅问题,只为大家介绍几个比较有影响的主要成果:

1．欧洲航天局的尤利西斯探测器,为天文学家展现了太阳磁场的变化,曾经人们以为太阳磁极的变化会非常迅速,得益于尤利西斯的观察,发现了这个过程是一个渐变的历程,可能需要七年左右的时间来变化。

2．探测器发现太阳黑子的规律,它在太阳活动极小期结束后,太阳黑子的数量会逐渐增加,会在太阳南北半球的35度纬度形成,然后到达赤道最终消失,而日冕的亮点也会从高维向赤道移动。

3．美国发射的世界第一对孪生太阳观测卫星——日地关系观测平台,对太阳黑子爆发时进行了三维成像,让科学家们首次用三维立体的方式来研究太阳周边环境以及太阳活动对整个太阳系造成的影响。

4．帕克太阳探测器发射升空后,帮助科学家找到了太阳风的源头,低速太阳风在赤道附近的日冕洞附近出现,速度低于每秒 450 公里;而在太阳极地附近,吹出的是高速太阳风,速度超过每秒 450 公里。太阳风的最终超高速加速原因也被找到,太阳的旋转转速也被发现比我们想象中的要快得多,给了科研人员对恒星进化方式的新思考角度。

这是目前相对来说比较新和重要的成果,而太阳的未来探索,会向部署立体探测体系发力,对太阳进行全方位的探索。这个立体的探索方案也是咱们种花家自己提出来的,关于这个立体探测系统方案,未来将在黄道面和极轨的5个点上分别部署探测器,对太阳实现“环抱”观测。而探测器尤其是极区探测器,需要5年的时间才能飞行到位,航天局给出的时间是大概在2035年前后构建起太阳极区的全方位立体探测体系。

此前关于研究太阳的论文,我们的研究数量虽然很多,但是都建立在其他国家探索太阳的二手资料上面,想要做出影响天文界,引领太阳研究方面的影响力,很难实现。原始创新的成果必须建立在自有太阳探索能力的宇航器的发展,而对太阳的探测立体体系部署和规划会极大地改变我们在太阳研究学术界的地位:从跟随者到引领者的巨变,未来可期。

太阳探测器的归宿是在能量耗尽后,一步步分解坠向太阳,成为宇宙尘埃的一份子。但是人类追逐太阳的脚步永远也不会停下,关于太阳的谜题,关于太阳风暴的解答,都是人类想要征服的方向,哪怕是渺茫的希望,人类也会头铁迈进,直到人类消亡的那刻。