原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報》2025年第16期 《中國的空間“探日”時代》

當(dāng)今太陽物理學(xué)不再局限于研究太陽自身，已擴展到包含太陽-地球-行星際空間作為整體的結(jié)構(gòu)和演化的科學(xué)領(lǐng)域。

近日，我們刊發(fā)了我國太陽物理學(xué)家、中國科學(xué)院院士汪景琇教授的文章《中國的空間“探日”時代》。特此摘錄，以饗讀者。

汪景琇

汪景琇，太陽物理學(xué)家，長期從事太陽磁場和太陽活動研究。1969年畢業(yè)于北京大學(xué)地球物理系，1987年于中國科學(xué)院北京天文臺獲理學(xué)博士學(xué)位。2013年當(dāng)選中國科學(xué)院院士。

中國的空間“探日”時代

汪景琇

2021年10月14日，中國首顆太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗衛(wèi)星“羲和號”搭載全日面Hα成像光譜儀升入太空，進行太陽色球動力學(xué)的光譜成像觀測。1年之后，2022年10月9日，另一顆以“一磁兩暴”（太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射觀測）為目標(biāo)的綜合性太陽探測衛(wèi)星——先進天基太陽天文臺（“夸父一號”）進入太空。雙星太空共舞，探日問天，標(biāo)志著中國空間探日時代的到來。

中華民族保留著人類最早的太陽活動觀測記錄?！稘h書·五行志》記載了公元前28年觀測的太陽黑子：“三月己未，日出黃，有黑氣，大如錢，居日中央?！敝袊糯谧佑^測記錄，對研究太陽的長期變化及其與氣候變化的聯(lián)系，如蒙德極小期研究等，有重要的科學(xué)價值。20世紀70年代，中國科學(xué)院云南天文臺編撰了中國從公元前43年（西漢）到公元1638年（明朝）的目測黑子記錄，估算出太陽黑子的出現(xiàn)具有10.6±0.4年的周期，同時展現(xiàn)了太陽黑子和地球極光出現(xiàn)的相關(guān)性。然而，在望遠鏡發(fā)明之后的300多年里，中國在天文學(xué)和太陽物理學(xué)研究領(lǐng)域，卻逐漸與科學(xué)的前沿進步拉開了距離。

1978年3月，全國科學(xué)大會召開，科學(xué)的春風(fēng)吹拂祖國大地。與其他科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域一樣，中國的太陽和空間物理研究進入全新發(fā)展階段。20世紀80年代，南京大學(xué)和中國科學(xué)院云南天文臺等機構(gòu)在多波段光譜學(xué)觀測研究取得重要進步，基于非局部熱動平衡理論計算的太陽大氣半經(jīng)驗?zāi)Ｐ脱芯孔呦驀H前沿；中國太陽物理學(xué)者方成、丁有濟、顧嘯馬等在光譜學(xué)觀測領(lǐng)域取得的學(xué)術(shù)研究，在重要的國際天文學(xué)學(xué)術(shù)期刊發(fā)表。從20世紀60年代開始，北京天文臺艾國祥與合作者經(jīng)過近20年的努力，創(chuàng)造性地發(fā)展了中國“太陽磁場望遠鏡”，成為世界上最好的太陽矢量磁像儀。太陽磁場望遠鏡的成功，讓中國太陽物理站到了國際最前沿，也讓中國太陽物理學(xué)者積極參與和組織國際合作研究，推動了太陽磁場和太陽活動研究的進步。

太陽物理學(xué)是天文學(xué)的一個重要分支。美國太陽物理學(xué)家哈羅德·齊林（Harold Zirin）在其名著《太陽的天體物理學(xué)》序言中，質(zhì)疑漠視天文學(xué)中太陽物理教學(xué)的傾向——“（學(xué)生們）不理解恒星，如何理解由恒星組成的星系”，而“沒有關(guān)于太陽的基礎(chǔ)知識，又如何理解恒星”？

當(dāng)今的太陽物理學(xué)不再局限于研究太陽自身，已擴展到包含太陽-地球-行星際空間作為整體的結(jié)構(gòu)和演化的科學(xué)領(lǐng)域。其主要的科學(xué)目標(biāo)包含在3個互相關(guān)聯(lián)的學(xué)科方面：

（1）作為空間等離子體物理學(xué)實驗室的物理學(xué)研究；

（2）作為一個被詳盡觀測（甚至包括被局地測量）的恒星范例的天體物理學(xué)研究；

（3）作為直接影響人類生存環(huán)境的空間天氣和空間氣候驅(qū)動源的研究。

太陽活動對人類的生存環(huán)境和高技術(shù)系統(tǒng)的安全有極為重要的影響。對準確可靠的太陽活動預(yù)報的需求，推動著太陽和空間物理學(xué)的進步。20世紀90年代以來，以認知和預(yù)報太陽活動的起源、太陽活動對空間環(huán)境和人類高技術(shù)系統(tǒng)影響的新學(xué)科“空間天氣學(xué)”誕生并得到迅速發(fā)展，成為太陽和空間物理學(xué)中一個非?；钴S的研究領(lǐng)域。類比氣象科學(xué)中的天氣學(xué)，空間天氣旨在研究太陽、地球磁層-電離層-中層和熱層、行星際空間，乃至整個太陽系（日球?qū)涌臻g）狀態(tài)的變化，及其對高技術(shù)系統(tǒng)和人類活動的影響。與地球科學(xué)中的天氣學(xué)和動力氣象學(xué)相比，空間天氣學(xué)主要研究磁性大氣，即由部分和完全電離等離子體組成的大氣的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)和激變過程的“磁大氣天氣”。空間天氣學(xué)（或“磁大氣天氣學(xué)”）研究將應(yīng)用于更廣泛的宇宙天體對象，如廣泛存在的類太陽恒星和環(huán)繞它們的行星系統(tǒng)。

在空間探測方面，2018年美國發(fā)射的“帕克號太陽探針”在2023年7月離太陽表面最近的距離已到10個太陽半徑左右，發(fā)現(xiàn)了太陽風(fēng)中的“磁島”結(jié)構(gòu)和“磁偏折”現(xiàn)象，以及太陽風(fēng)加速過程的“脈沖式爆發(fā)”，探測到日冕中大量的納耀斑和等離子體湍動過程。2020年歐洲空間局發(fā)射的“太陽軌道器”，在2022年10月以來其近日點已飛抵離太陽約0.3倍的日地距離，位于水星軌道以內(nèi)，未來將繼續(xù)借助金星引力輔助逐漸抬升傾角軌道，計劃從設(shè)計壽命階段的7.7°逐漸提高到延壽運行的24°~30°（2027年1月），以期實現(xiàn)對太陽高緯度和極區(qū)有限的觀測能力，開始取得多項突破性發(fā)現(xiàn)，正填補對高緯度太陽活動和全球磁場結(jié)構(gòu)的認知空白。

在地面觀測方面，太陽物理學(xué)界期盼久已的口徑4 m的美國“井上太陽望遠鏡”，2022年在夏威夷毛伊島哈萊阿卡拉天文臺正式投入科學(xué)運行。以30 km空間分辨率，DKIST觀測到太陽光球磁通量管的精細結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)磁場在太陽表面呈纖維化和瞬態(tài)變化的編織狀態(tài)；首次在紅外波段實現(xiàn)靈敏度為1 G的太陽寧靜區(qū)弱磁場測量，發(fā)現(xiàn)大尺度弱磁場網(wǎng)絡(luò)；在太陽活動研究中，觀測到尺度約100 km磁重聯(lián)電流片精細結(jié)構(gòu)，證認重聯(lián)區(qū)附近的等離子體湍流加熱。

進入21世紀，人類對太陽和太陽系的探索正在開啟一場新的“哥白尼式”的天文學(xué)革命。對太陽、恒星及其周邊世界的研究，聚焦在宇宙中生命的起源、太陽系外類地行星的宜居性，以及如何呵護和擴展人類美麗的家園等重大課題上。“井上太陽望遠鏡”“帕克太陽探針”和“太陽軌道器”3個重大設(shè)備，代表了人類對主導(dǎo)自己生存環(huán)境的太陽新探索的開端。

太陽極區(qū)是人類科學(xué)發(fā)展歷史上從未被正面觀測過的區(qū)域。太陽極區(qū)是聯(lián)系太陽、地球和行星際的高速太陽風(fēng)的源頭；作為太陽活動周的極向分量，太陽極區(qū)是太陽活動帶磁場和太陽活動的源頭。同時，太陽極區(qū)在很大程度上決定了日球?qū)拥拇笮『徒Y(jié)構(gòu)。太陽極區(qū)探測是極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)任務(wù)，是深空太陽探測國際競爭的制高點。

把太陽極區(qū)作為探測目標(biāo)，是中國空間探日工程中的一個有勇氣且具有戰(zhàn)略意義的選擇。中國的太陽極軌天文臺項目的總體方案在國際上處于領(lǐng)先地位，目前已進入工程研制；未來聯(lián)合環(huán)日或在日地拉格朗日L1/L5點的探測計劃，中國的太陽和空間科學(xué)研究將提供完整的太陽全球面三維磁場和磁活動的圖景，實現(xiàn)對災(zāi)害性空間天氣實時準確的預(yù)警和可靠預(yù)報，服務(wù)國家的戰(zhàn)略需求和人類科學(xué)探索的需要。

不可否認的是，太陽地基重大觀測設(shè)備的發(fā)展，也具有不可取代的科學(xué)意義。由于地面裝置易于實現(xiàn)更大型、更復(fù)雜的觀測設(shè)備和觀測程序，按照科學(xué)目標(biāo)的需要發(fā)展、調(diào)試、更新后端探測系統(tǒng)，與空間觀測設(shè)施配合，實現(xiàn)精心思考和設(shè)計的科學(xué)目標(biāo)。中國太陽物理學(xué)者在20多年前就提出了地面8 m光學(xué)和紅外太陽望遠鏡計劃，旨在研究太陽磁場的內(nèi)秉結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和集體行為；將在四川稻城運行的2.5 m大視場高分辨率太陽望遠鏡（WeHoST），是國際上首臺兼具太陽和恒星物理觀測需求的望遠鏡；位于甘孜州稻城縣被稱為“千眼天珠”的圓環(huán)陣太陽射電成像望遠鏡（DSRT），是目前已建成的全球規(guī)模最大的綜合孔徑射電望遠鏡，正在對太陽風(fēng)暴的日地空間傳播鏈條進行高質(zhì)量監(jiān)測；位于青海冷湖賽什騰山的“中紅外太陽磁場精確測量系統(tǒng)”（AIMS）2024年初已投入觀測，精確測量導(dǎo)致太陽耀斑等太陽活動和日冕加熱的磁場變化。明安圖射電頻譜日像儀（MUSER）將形成一個包括厘米波—分米波—米波—10米波在內(nèi)的超寬帶射電頻譜三維成像觀測系統(tǒng)，對太陽爆發(fā)活動及其行星際擾動做全面監(jiān)測。

中國《國家空間科學(xué)中長期發(fā)展規(guī)劃（2024—2050年）》業(yè)已發(fā)布，日地全景是規(guī)劃的5大科學(xué)主題之一。中國的空間探日時代已經(jīng)到來。中國的太陽和空間物理學(xué)者會自立自強，“步步著實”，努力奮斗，同時與國際學(xué)術(shù)界緊密合作，實現(xiàn)在太陽和空間物理領(lǐng)域的重大突破性進展，為國家發(fā)展、人民幸福和人類進步作出杰出貢獻。

文章來源：汪景琇. 中國的空間“探日”時代[J]. 科技導(dǎo)報, 2025, 43(16): 1-2.

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