太陽(yáng)抵近探測(cè)計(jì)劃飛船發(fā)射后經(jīng)地球—木星借力變軌、入軌過程以及最終的科學(xué)軌道示意圖。作者供圖
太陽(yáng)爆發(fā)對(duì)地球周圍環(huán)境可能造成的影響示意圖。作者供圖
太陽(yáng)活動(dòng)正在進(jìn)入有記錄以來的第25個(gè)極大期——科學(xué)家們警告，一場(chǎng)具有1859年卡林頓事件規(guī)模的超級(jí)太陽(yáng)風(fēng)暴正在醞釀。太陽(yáng)活動(dòng)的頻繁與劇烈程度，會(huì)不同程度地?cái)_動(dòng)人類的生存環(huán)境，帶來一系列連鎖反應(yīng)，引發(fā)地球及周邊環(huán)境(即空間天氣)的快速變化，導(dǎo)致地磁暴、電離層擾動(dòng)等現(xiàn)象，對(duì)衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、電力系統(tǒng)等現(xiàn)代技術(shù)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。但，不用緊張!科學(xué)家們正在加緊對(duì)太陽(yáng)的研究，試圖回答諸如太陽(yáng)爆發(fā)的物理機(jī)制、日冕加熱的奧秘以及太陽(yáng)風(fēng)加速的動(dòng)力學(xué)原理等復(fù)雜問題，從而解開困擾太陽(yáng)物理甚至恒星物理學(xué)家近百年的未解之謎。
夸父逐日，正從神話變成現(xiàn)實(shí)
研究太陽(yáng)和太陽(yáng)的活動(dòng)、探索和理解太陽(yáng)的奧秘，是人類自遠(yuǎn)古以來的不懈追求。從地球上觀測(cè)和研究太陽(yáng)，不可避免地會(huì)受到地球大氣的影響。為避開地球大氣對(duì)太陽(yáng)研究的重大影響，人類開始嘗試在太空中進(jìn)行觀測(cè)。20世紀(jì)下半葉以來，太陽(yáng)物理領(lǐng)域許多開拓性的重大成就都與空間觀測(cè)密不可分。1960年3月11日，美國(guó)發(fā)射了人類歷史上第一顆旨在觀測(cè)和研究太陽(yáng)的人造衛(wèi)星。截至目前，全球共發(fā)射了超過70顆人造衛(wèi)(行)星，其中中國(guó)在軌運(yùn)行衛(wèi)星4顆，它們是“風(fēng)云二號(hào)”(FY-2)、“風(fēng)云三號(hào)E”(FY-3E)、“羲和一號(hào)”(CHASE)、“夸父一號(hào)”(ASO-S)。
“羲和一號(hào)”和“夸父一號(hào)”實(shí)現(xiàn)了我國(guó)天基太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星的跨越式突破，開啟了綜合性太陽(yáng)探測(cè)的新時(shí)代，并已向全球共享部分觀測(cè)數(shù)據(jù)。為研究太陽(yáng)磁場(chǎng)、太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射等現(xiàn)象提供了前所未有的觀測(cè)能力。使科學(xué)家們能夠更深入地了解太陽(yáng)活動(dòng)的形成、演化、相互作用和可能存在的因果關(guān)聯(lián)。
上述太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星大部分在環(huán)繞地球的軌道，或在地球的繞日軌道附近運(yùn)行，只能對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀測(cè)，無法對(duì)日冕磁場(chǎng)及其精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深度探測(cè)。
2018年8月12日，美國(guó)國(guó)家航空航天局成功發(fā)射了帕克太陽(yáng)探測(cè)器(Parker Solar Probe, PSP)，其目標(biāo)軌道最接近太陽(yáng)的位置，距離太陽(yáng)中心為10個(gè)太陽(yáng)半徑左右，這標(biāo)志著人類歷史上首次嘗試進(jìn)入并穿越太陽(yáng)最外層大氣——日冕，并近距離探測(cè)太陽(yáng)(注：太陽(yáng)與地球的平均距離為1.5億公里，約合216個(gè)太陽(yáng)半徑)。帕克太陽(yáng)探測(cè)器旨在解答關(guān)于太陽(yáng)風(fēng)加速機(jī)制、日冕加熱原因等關(guān)鍵科學(xué)問題，這次發(fā)射也成為首個(gè)深入研究太陽(yáng)最外層大氣的探測(cè)任務(wù)。2020年2月10日，由歐洲空間局和美國(guó)國(guó)家航空航天局聯(lián)合研制的太陽(yáng)軌道飛行器(Solar Orbiter,SolO)發(fā)射成功。太陽(yáng)軌道飛行器攜帶先進(jìn)的儀器，旨在捕捉太陽(yáng)的詳細(xì)圖像并提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)于全球科學(xué)家來說至關(guān)重要，有助于深入理解太陽(yáng)活動(dòng)，并預(yù)測(cè)災(zāi)害性空間天氣等重要事件。與帕克太陽(yáng)探測(cè)器相比，太陽(yáng)軌道飛行器的任務(wù)更加豐富，它可以探測(cè)太陽(yáng)大氣中的等離子體，磁場(chǎng)、高能粒子和塵埃，了解日冕結(jié)構(gòu)等。
大膽的夢(mèng)想，太陽(yáng)抵近探測(cè)計(jì)劃
中國(guó)古代有不少關(guān)于太陽(yáng)的神話傳說。例如，《山海經(jīng)》中記載，“夸父與日逐走，入日；渴，欲得飲，飲于河、渭；河、渭不足，北飲大澤。未至，道渴而死。棄其杖，化為鄧林”?！渡胶＝?jīng)》中還寫道：“湯谷上有扶桑，十日所浴，在黑齒北。居水中，有大木，九日居下枝，一日居上枝?！比嵌堰z址中發(fā)掘的青銅太陽(yáng)樹，生動(dòng)再現(xiàn)了這一古老神話。
如今，中國(guó)科學(xué)家提出了一個(gè)更大膽的太陽(yáng)空間探測(cè)項(xiàng)目——太陽(yáng)抵近探測(cè)計(jì)劃(Solar Close Observations and Proximity Experiments，SCOPE)。這是未來的一項(xiàng)太陽(yáng)深空探測(cè)任務(wù)，它以太陽(yáng)爆發(fā)的Lin-Forbes模型為指導(dǎo)，通過突破一系列極限技術(shù)，將探測(cè)器送至近日點(diǎn)5個(gè)太陽(yáng)半徑(距離太陽(yáng)中心最近的位置)、遠(yuǎn)日點(diǎn)123個(gè)太陽(yáng)半徑(距離太陽(yáng)中心最遠(yuǎn)的位置)、傾角64.9°的軌道上，進(jìn)入深空探測(cè)的“無人區(qū)”，在一個(gè)全新的位置上實(shí)地考察太陽(yáng)系中人類從未涉足的區(qū)域，以解決太陽(yáng)物理界長(zhǎng)期存在的科學(xué)難題。
根據(jù)中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)的研究，太陽(yáng)抵近探測(cè)計(jì)劃將精心設(shè)計(jì)科學(xué)軌道，通過地球和木星的引力輔助，將探測(cè)器軌道傾角調(diào)整至約65°，并設(shè)定近日點(diǎn)在5個(gè)太陽(yáng)半徑處，遠(yuǎn)日點(diǎn)在123個(gè)太陽(yáng)半徑處，以優(yōu)化對(duì)太陽(yáng)的超近距離探測(cè)與觀測(cè)。
太陽(yáng)抵近探測(cè)計(jì)劃旨在解決太陽(yáng)物理界長(zhǎng)期存在的兩個(gè)科學(xué)難題：太陽(yáng)爆發(fā)機(jī)理難題和日冕加熱與太陽(yáng)風(fēng)加速機(jī)理難題。這一計(jì)劃未來將實(shí)現(xiàn)三方面的科學(xué)目標(biāo)：
首先，破解太陽(yáng)爆發(fā)機(jī)理難題。通過近距離觀測(cè)或原位探測(cè)太陽(yáng)爆發(fā)磁結(jié)構(gòu)，獲取磁重聯(lián)電流片幾何尺度，探測(cè)電流片、CME和激波的精細(xì)結(jié)構(gòu)，以及高能粒子，全面證實(shí)由我國(guó)科學(xué)家建立的Lin-Forbes模型所刻畫的太陽(yáng)爆發(fā)的全物理過程。
其次，破解日冕加熱和太陽(yáng)風(fēng)加速之謎。通過近距離觀測(cè)和原位探測(cè)，提供日冕加熱具體機(jī)制的觀測(cè)實(shí)證；針對(duì)太陽(yáng)風(fēng)源區(qū)的湍流性質(zhì)及其與離子電荷態(tài)凍結(jié)過程的關(guān)系，通過探測(cè)源區(qū)湍流結(jié)構(gòu)和跟蹤重離子電荷態(tài)凍結(jié)過程，揭示兩種太陽(yáng)風(fēng)的起源與加速機(jī)制；完整描述日冕加熱和太陽(yáng)風(fēng)加速的物理圖像。
再次，獲取太陽(yáng)的關(guān)鍵物理信息。在黃道面之外，對(duì)不同緯度的日冕矢量磁場(chǎng)直接進(jìn)行原位探測(cè)，解決普適的常規(guī)測(cè)量日冕磁場(chǎng)的方法和技術(shù)缺乏的問題，對(duì)磁場(chǎng)和等離子體結(jié)構(gòu)進(jìn)行超近距離遙感觀測(cè)。根據(jù)塵埃與飛船碰撞產(chǎn)生的電脈沖，研究近日環(huán)境塵埃分布，確定太陽(yáng)系塵埃盤內(nèi)邊界。
腳踏實(shí)地，多系統(tǒng)推進(jìn)夢(mèng)想實(shí)現(xiàn)
太陽(yáng)抵近探測(cè)計(jì)劃將首先攻克高溫與強(qiáng)輻射防護(hù)、長(zhǎng)距離運(yùn)載技術(shù)、遠(yuǎn)距離軌道精確控制以及先進(jìn)載荷應(yīng)用等技術(shù)難關(guān)，通過在距太陽(yáng)極近的位置進(jìn)行探測(cè)，期望能夠揭示太陽(yáng)爆發(fā)的理論機(jī)理，確認(rèn)日冕加熱機(jī)制，以及太陽(yáng)風(fēng)的起源和加速機(jī)制。
其中，熱防護(hù)系統(tǒng)集成了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，包括采用耐高溫?zé)岫芘c稀土鉭酸鹽抗輻射涂料以增強(qiáng)防護(hù)能力，配備半導(dǎo)體熱電溫差供電系統(tǒng)以確保能源供應(yīng)，以及引入先進(jìn)自適應(yīng)溫控系統(tǒng)以維持適宜的工作環(huán)境。耐高溫?zé)岫懿捎锰?碳復(fù)合材料，表面覆蓋有3層高反射熱防護(hù)涂料，以降低迎日面吸收率和熱發(fā)射率比值，提高陶瓷涂層韌性。
自主管理系統(tǒng)作為探測(cè)器數(shù)據(jù)管理與控制的中樞，集成了遙測(cè)遙控信息處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與下傳、時(shí)基管理與廣播、指令脈沖發(fā)送、主備份模塊控制切換及地面測(cè)試等多重功能，確保探測(cè)器在與地球控制中心通訊聯(lián)絡(luò)中斷的情況下持續(xù)高效穩(wěn)定運(yùn)行。
星地通信系統(tǒng)將采用X波段測(cè)控?cái)?shù)傳一體化體制，或Ka波段高速下行加上X波段上行測(cè)控?cái)?shù)傳一體化方案，配置高增益天線，實(shí)現(xiàn)信息高速率傳輸。當(dāng)探測(cè)器在科學(xué)軌道上運(yùn)行時(shí)，如果其通信窗口平均每天可達(dá)4小時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率可穩(wěn)定保持在6Mb/s。
太陽(yáng)抵近探測(cè)計(jì)劃將突破人類探測(cè)太陽(yáng)的極限。通過捕捉高分辨率全景圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)爆發(fā)核心磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的原位探測(cè)和近距離觀測(cè)與跟蹤，揭示日冕磁場(chǎng)包括極區(qū)磁場(chǎng)以及不同太陽(yáng)風(fēng)源區(qū)的復(fù)雜細(xì)節(jié)，為科學(xué)家們提供理解太陽(yáng)現(xiàn)象的新視角。這是一個(gè)勇闖深空“無人區(qū)”的計(jì)劃，它將完整揭示一顆恒星磁活動(dòng)的奧秘，推動(dòng)破解太陽(yáng)物理領(lǐng)域百年難題。
太陽(yáng)抵近探測(cè)計(jì)劃是我國(guó)構(gòu)建獨(dú)立自主的、先進(jìn)的太陽(yáng)立體探測(cè)體系不可或缺的一環(huán)，與太陽(yáng)極軌天文臺(tái)(SPO)形成不同距離上對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)與太陽(yáng)爆發(fā)在大緯度范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)，對(duì)CME進(jìn)行傳播全過程的跟蹤和溯源；與“羲和二號(hào)”(LAVSO)觀測(cè)平臺(tái)構(gòu)成多波段、多角度的立體觀測(cè)體系；與以2.5米地面太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡為主的地面設(shè)備協(xié)同，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)從形成源區(qū)到日冕加速區(qū)的連續(xù)觀測(cè)。
未來，太陽(yáng)抵近探測(cè)計(jì)劃與國(guó)內(nèi)其他太陽(yáng)物理空間探測(cè)任務(wù)相互配合，共同獲取太陽(yáng)活動(dòng)和爆發(fā)的三維信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)光球到日冕的連續(xù)觀測(cè)，為解開太陽(yáng)奧秘提供更多線索。
(作者：柏正堯 林 雋 程 鑫，分別系云南大學(xué)信息學(xué)院教授;中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)研究員;南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院副院長(zhǎng)、教授)
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