见识见识太阳的“脾气”

汪景琇，太阳物理学家，中国科学院院士，现任中国科学院大学资深讲席教授、国家天文台研究员，从事太阳磁场和太阳活动研究40余年，在太阳磁场结构和演化、太阳活动机理等研究中取得重要原创性成果。2009年获国家自然科学奖二等奖，2012年获中国天文学会张钰哲奖。
　　对地球生命而言，太阳不仅是能量之源，还是一个巨大的威胁，剧烈的聚变反应在时刻进行，能量如惊涛骇浪般持续向外奔涌，形成日珥、耀斑、日冕等太阳爆发现象，不仅严重影响人类的太空活动，还有可能造成地球电力系统损坏、通信系统瘫痪等灾难性事件。因此，观测和研究太阳不仅具有重要的科学意义，更有巨大的实用价值。事实上，从20世纪60年代以来，国际上有数十颗太阳探测相关卫星发射升空，在这场“群雄逐日”的太阳探测热潮中，我国没有缺席。2021年和2022年，我国相继发射的“羲和号”“夸父一号”，开启了我国双星逐日的空间探日活动。
　　目前全球有哪些重要的探日装备
　　为了摸清太阳的脾气，人类通过各种方式对其进行观测，除了设置在地面的太阳望远镜，在航天技术的加持下，数十颗太阳观测卫星也被发射升空，一个天地协同的太阳联测体系逐渐成型。全球有哪些重要的探日装备呢？目前有三个前所未有的重大设备先后投入工作。第一个是触摸太阳的太阳帕克探针，它会把一个探测器放到太阳大气内，在离太阳表面只有九个太阳半径的地方，近距离探测太阳风的来源、日冕加热的物理机制和太阳磁场的产生等复杂过程；第二个是太阳轨道器——Solar Orbiter，它最大能以30多度的倾角掠过太阳的极区，并且能够窥视太阳极区的物理图像；第三个是4米量级的叫作DKIST的太阳望远镜，它是目前世界上最大的太阳望远镜。
　　这里着重讲一讲太阳帕克探针。太阳帕克探针要进入到太阳大气中相当于九个太阳半径的地方，穿过高温的日冕层进入日冕里面，解密太阳风和日冕加热之谜。在太阳帕克探针出现之前，没有任何探测器真正接近过太阳。太阳帕克探针面临的最大挑战，就是要穿越超高温的日冕层，抵御日冕层中高能粒子的轰击。为此，科学家们为太阳帕克探针穿上了一件黑科技防热盾，外面白色的陶瓷涂层可以反射绝大部分来自太阳的热量，盾牌里面是两层碳—碳复合材料夹着约11厘米厚的碳泡沫，不仅以极轻的重量实现了高度耐热，还可以在高温环境里保护精密仪器的正常工作。
　　目前，“羲和号”和“夸父一号”先后发射升空，实现了双星逐日。“羲和号”专门观测太阳光球层和色球层。“夸父一号”的硬X射线成像观测非常成功，在国际上处于领先位置，对太阳磁场的观测也已达到国际先进水平。
　　2024年会不会迎来一场太阳观测的盛宴
　　国际上公认最早记录太阳黑子的是我国汉代。公元前28年，《汉书·五行志》中记载：“日出黄，有黑气大如钱，居日中央。”但直到20世纪20年代，中国才开始用仪器对太阳黑子的观测，就是天文学家高平子在青岛观象台对太阳黑子的观测。
　　太阳黑子到底是什么？太阳黑子是太阳表面强磁场所在的区域，与周边光球比表现为暗黑斑点。一个中小规模的黑子和地球大小差不多。太阳表面温度高达5800度，而太阳黑子中心只有4300度左右，然而在这里却能看到高达80万度的高温抛射现象。直到现在，关于黑子的内部结构和相关物理过程，仍然存在大量未解之谜。
　　美国天文学家乔治·埃勒里·海耳是第一个发现黑子磁场的人，1908年，他基于塞曼效应，用物理学的方法第一次诊断了太阳黑子的本质，证明太阳黑子就是强磁场。他还发现了太阳的22年磁周期现象。
　　太阳黑子本质上是太阳磁场，而且太阳磁场上面，又有自己的三维结构，所以在这个意义上，太阳黑子是包含复杂物理过程的三维的一个物理实体。黑子之外，充满了小尺度磁结构、磁活动现象。我们观测到的太阳表面小尺度磁场，它尺度非常小，最小的磁场结构只有百公里左右。太阳是非常复杂的磁活动现象，太阳磁场又使得太阳结构变得缤纷复杂，甚至产生非常美丽的现象，比如日珥。
　　太阳活动以11年为周期，第25个太阳活动周期开始于2020年，将持续到2031年左右。这一周期内的峰值预计将出现在2024年到2025年，那时太阳爆发现象也最频繁。2024年会不会迎来一场太阳观测的盛宴？
　　太阳长期的变化如何影响天气、气候，是一个非常值得探讨的问题。我们对太阳活动进行了统计，根据黑子数和耀斑数显示，目前正好是在25太阳周的上升段，上升的情况跟24周有点接近，这可能预示着25太阳周不会是太强的一个太阳周，很可能跟24周接近，应该是比24周略强的一个偏弱的太阳周。磁场统计也显示，25周的磁场跟21、22、23太阳周相比，还是处于比较弱的状态。同时结合太阳总辐射的变化、宇宙线数量的多少，从更长的周期上来看，25太阳周或24太阳周，跟100年前的太阳活动周的状况有点类似。
       太阳的表情
　　太阳常常呈现出一派温暖、宁静的状态，但是太阳偶尔也会烦闷、暴躁，甚至狂怒，发生强烈的太阳活动，俗称“太阳风暴”。1946年有人曾观测到一个大日珥爆发的情形，日珥爆发一般比较壮观也更加复杂。太阳耀斑也是一个很值得注意的现象。耀斑会导致日冕物质抛射和地球磁场的变化，日冕物质抛射是最大尺度的太阳爆发活动，有时候太阳的耀斑和日冕物质抛射会引起太阳的海啸。
　　日冕物质抛射的时候，有很多小的雪花暴，每一个雪花暴都代表一束太阳高能粒子。日冕物质抛射跑到行星际之后，它变成了磁云，磁云一直跑到地球所在的位置。磁云是什么？它是扭缠在一起的磁力线，每个磁力线都像挂着念珠一样，挂着大量的太阳的带电流体，又被称为“等离子体”，抛向我们的地球空间，撞击地球的磁层，引起复杂的日地物理效应。太阳第一次磁能释放之后，会产生日冕物质抛射和磁云，日冕物质和磁云抛射撞击地球磁层顶，把地球磁力线撕裂，太阳的能量被带到磁尾，磁尾又发生磁重联，把高能粒子带到地球的两极，产生了极光。极光不止出现在地球的极区，在土星、木星的极区，甚至于木星的几个卫星，都可以看到极光现象。极光是非常美丽的一个自然现象，也令人感到惊异，它的那种扭曲和移动，都代表磁力线的结构和变化。
       极端空间天气
　　由于地球磁场的保护，极光并没有给人类带来实质性的伤害，反而让人惊叹于它的绚丽。但最强烈的太阳活动还是会引发极端空间天气事件，对人类生存的环境和高科技系统造成严重破坏。
　　1859年9月1日，天文爱好者卡灵顿在自家天文台上观测到了历史上人类知道的第一个耀斑事件。卡灵顿观测的时候，他注意到在黑子当中出现两个半月形的白斑，非常刺眼，他感到恐惧，不知道怎么办，他马上跑到外边想找人来见证这样一个罕见的现象，遗憾的是他出来之后没有找到任何人，一分钟后他回到观测室的时候，这个白斑已经逐渐消失，这就是“卡灵顿事件”。“卡灵顿事件”导致全球的电报系统被损坏，电报局里的电报纸着火，电报员的手被灼伤，全球范围内出现极光。这个事件影响很大，18小时之后就发现地磁暴，说明这个日冕物质抛射的速度是非常快的。
　　当时大家认为，这种事件可能不会再发生，或者500年发生一次，但是很快，另一个强烈的太阳活动和空间灾害事件的发生，就打破了这个猜想。2012年7月23日，又发生了一个“卡灵顿级”的太阳爆发事件，为什么我们没有看到这样强的影响呢？因为这个事件是背离地球而去的，如果这个事件对着地球来的话，那将是灾难性的。
　　一百多年来最大的一次太阳爆发是在1989年3月10日发生的，正好我国的怀柔太阳观测站观测到了磁场的结构和变化，以及爆发的情况和物质抛射情况。这次太阳爆发导致加拿大魁北克的变压器被毁坏，感生电流超载，损失电力9450兆瓦，600万人在黑暗中生活9个小时，造成上亿美元的经济社会损失。第二大的太阳爆发是2003年10月末至11月初的“万圣节”事件。这个磁场非常复杂，南北半球同时有磁场浮现。这个事件导致强烈的日冕物质抛射，整个LASCO（大面积日冕仪）的探测系统都被高能粒子轰击。最后造成民航通信中断、短波通信中断，瑞典的电网损坏、日本丢失一个卫星，GPS和罗兰导航失效，20余个卫星系统需要干预才能正常工作，多个卫星的科学资料损坏。
　　过去数十年的研究显示，太阳磁场是太阳耀斑、日冕物质抛射，甚至是太阳风粒子加速、日冕加热所有这些活动的能量来源。同样的物理过程可能发生在其他的恒星，类太阳恒星和更广泛的天体对象。现代天体物理学的研究目的是了解从太阳内部到太阳日球，太阳的结构、演化和它的动力学，了解为什么太阳磁场会发生变化，会导致这样复杂的爆发现象。极端的空间天气，虽然是小概率事件，但是它的影响太大了，科学家不能不关心。所以，我们还是要关注太阳和太阳活动，理解它产生的根源，尽可能对极端空间天气作出有依据、有启发性、有帮助的预报。
       太阳系外的宇宙“邻居”
　　自从46亿年前诞生的那一刻起，太阳就不停地散发光与热，不仅塑造了太阳系每一颗行星的“性格”，还在地球上孕育出了丰富多彩的生命。在茫茫宇宙中，太阳系是否独一无二？地球之外还存在其他智慧生命吗？
　　1995年10月，马约尔和奎洛兹这对师生发现了太阳系外第一个行星，这一发现掀起了一场革命，在银河系中陆续发现了超过5000颗的系外行星系统。太阳系只不过是银河系里很普通的一个，而且可能不是最典型最有代表性的一个。这些奇异的未知世界，或许有一天让我们能够回答，人类是否孤独？我们的邻居在哪里？
　　赫茨普龙—罗素图是表示恒星温度或颜色与光度之间关系的图，它的横轴是恒星的光谱型（颜色），纵轴是恒星的质量，大多数恒星都在中间带上，这个带叫作主序星带。恒星物理学家发现，每一个主序恒星在适当的距离都可能有一个生命宜居带。生命宜居带要有水，不能太冷，太冷这个行星会结冰，太近的话又会太炎热，而地球正好在这个宜居带里。随着恒星质量的增大，这个宜居带也会一点点向外移。基于有没有水来讨论宜居带，显然是不够的，因为电磁环境对生命的存在也很重要。
　　还有一个例子，美国两名高中生卡蒂克·平莱和贾斯敏·莱特，他们基于TESS（凌星系外行星巡天望远镜）的观测数据，在老师的指导下发现了TOI-1233的4颗行星，这4颗行星都是内行星，有的还在宜居带上，有一个是超级地球，证实了这些系外行星的存在。
　　系外行星的发现引发了天文学一场新的革命，让理解太阳，以及它的行星系统，它周边的世界，它的结构演化，它的生命宜居性，成为当代天文学和天体物理学最重大的课题。
       太阳的“南北极”
　　太阳磁活动周的起源究竟是什么？要回答这个问题，就需要对太阳的一个关键区域进行观测研究，但是人类的探测器目前还从未到过这个地方，这就是太阳的“南北极”。
　　在太阳磁活动起源的问题上，有一个很关键的概念，就是太阳发电机的理论。这个理论就是：太阳的极向磁场，沿着南北两极的极磁场，它如何自发地转化为活动区的磁场？然后活动区太阳黑子又如何转变为极区磁场？这是很大的问题，在这个问题里，极区的观测就变得非常重要。因为人类从来没对极区实现过成像观测，不知道极区的磁场、流场，极区自转的速率怎么样，极区有没有经圈环流，这些我们都不知道，所以对于这样一个素未谋面的区域，它就限制了太阳物理学的发展。正因为这样，学术界一直在努力地做这件事。2022年，我们在《科学通报》发表了一组关于太阳立体探测任务的设想文章，设想在日地黄道面上的4个拉格朗日点，各有一个飞行器来探测太阳，一个是黄道面内，然后在极轨有两个飞船来探测太阳的极区。太阳极轨天文台，是把一个卫星放到太阳极轨，它偏离黄道面，垂直于黄道面，在一个1AU的距离来绕着太阳旋转，目前还没有国际上的同行提出类似的计划。
　　我国学者曾经创造了古代天文学的辉煌，应该有责任也有能力攀登现代科学的高峰，希望我国学者能够率先实现对太阳极区磁场、速度场和辐射的成像观测，揭示太阳周期、高速太阳风的起源，创建全日球的辐射磁流体力学模型，这就是极轨天文台核心的科学目标。

（责编：赵珊）