太陽抵近探測計劃飛船發(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
太陽活動正在進(jìn)入有記錄以來的第25個極大期——科學(xué)家們警告，一場具有1859年卡林頓事件規(guī)模的超級太陽風(fēng)暴正在醞釀。太陽活動的頻繁與劇烈程度，會不同程度地擾動人類的生存環(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、電離層擾動等現(xiàn)象，對衛(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)家們正在加緊對太陽的研究，試圖回答諸如太陽爆發(fā)的物理機制、日冕加熱的奧秘以及太陽風(fēng)加速的動力學(xué)原理等復(fù)雜問題，從而解開困擾太陽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
研究太陽和太陽的活動、探索和理解太陽的奧秘，是人類自遠(yuǎn)古以來的不懈追求。從地球上觀測和研究太陽，不可避免地會受到地球大氣的影響。為避開地球大氣對太陽研究的重大影響，人類開始嘗試在太空中進(jìn)行觀測。20世紀(jì)下半葉以來，太陽物理領(lǐng)域許多開拓性的重大成就都與空間觀測密不可分。1960年3月11日，美國發(fā)射了人類歷史上第一顆旨在觀測和研究太陽的人造衛(wèi)星。截至目前，全球共發(fā)射了超過70顆人造衛(wèi)（行）星，其中中國在軌運行衛(wèi)星4顆，它們是“風(fēng)云二號”（FY-2）、“風(fēng)云三號E”（FY-3E）、“羲和一號”（CHASE）、“夸父一號”（ASO-S）。
“羲和一號”和“夸父一號”實現(xiàn)了我國天基太陽探測衛(wèi)星的跨越式突破，開啟了綜合性太陽探測的新時代，并已向全球共享部分觀測數(shù)據(jù)。為研究太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射等現(xiàn)象提供了前所未有的觀測能力。使科學(xué)家們能夠更深入地了解太陽活動的形成、演化、相互作用和可能存在的因果關(guān)聯(lián)。
上述太陽探測衛(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行，只能對太陽進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀測，無法對日冕磁場及其精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深度探測。
2018年8月12日，美國國家航空航天局成功發(fā)射了帕克太陽探測器（Parker Solar Probe, PSP），其目標(biāo)軌道最接近太陽的位置，距離太陽中心為10個太陽半徑左右，這標(biāo)志著人類歷史上首次嘗試進(jìn)入并穿越太陽最外層大氣——日冕，并近距離探測太陽（注：太陽與地球的平均距離為1.5億公里，約合216個太陽半徑）。帕克太陽探測器旨在解答關(guān)于太陽風(fēng)加速機制、日冕加熱原因等關(guān)鍵科學(xué)問題，這次發(fā)射也成為首個深入研究太陽最外層大氣的探測任務(wù)。2020年2月10日，由歐洲空間局和美國國家航空航天局聯(lián)合研制的太陽軌道飛行器（Solar Orbiter,SolO）發(fā)射成功。太陽軌道飛行器攜帶先進(jìn)的儀器，旨在捕捉太陽的詳細(xì)圖像并提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于全球科學(xué)家來說至關(guān)重要，有助于深入理解太陽活動，并預(yù)測災(zāi)害性空間天氣等重要事件。與帕克太陽探測器相比，太陽軌道飛行器的任務(wù)更加豐富，它可以探測太陽大氣中的等離子體，磁場、高能粒子和塵埃，了解日冕結(jié)構(gòu)等。
大膽的夢想，太陽抵近探測計劃
中國古代有不少關(guān)于太陽的神話傳說。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”。《山海經(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)掘的青銅太陽樹，生動再現(xiàn)了這一古老神話。
如今，中國科學(xué)家提出了一個更大膽的太陽空間探測項目——太陽抵近探測計劃（Solar Close Observations and Proximity Experiments，SCOPE）。這是未來的一項太陽深空探測任務(wù)，它以太陽爆發(fā)的Lin-Forbes模型為指導(dǎo)，通過突破一系列極限技術(shù)，將探測器送至近日點5個太陽半徑（距離太陽中心最近的位置）、遠(yuǎn)日點123個太陽半徑（距離太陽中心最遠(yuǎn)的位置）、傾角64.9°的軌道上，進(jìn)入深空探測的“無人區(qū)”，在一個全新的位置上實地考察太陽系中人類從未涉足的區(qū)域，以解決太陽物理界長期存在的科學(xué)難題。
根據(jù)中國科學(xué)院云南天文臺的研究，太陽抵近探測計劃將精心設(shè)計科學(xué)軌道，通過地球和木星的引力輔助，將探測器軌道傾角調(diào)整至約65°，并設(shè)定近日點在5個太陽半徑處，遠(yuǎn)日點在123個太陽半徑處，以優(yōu)化對太陽的超近距離探測與觀測。
太陽抵近探測計劃旨在解決太陽物理界長期存在的兩個科學(xué)難題：太陽爆發(fā)機理難題和日冕加熱與太陽風(fēng)加速機理難題。這一計劃未來將實現(xiàn)三方面的科學(xué)目標(biāo)：
首先，破解太陽爆發(fā)機理難題。通過近距離觀測或原位探測太陽爆發(fā)磁結(jié)構(gòu)，獲取磁重聯(lián)電流片幾何尺度，探測電流片、CME和激波的精細(xì)結(jié)構(gòu)，以及高能粒子，全面證實由我國科學(xué)家建立的Lin-Forbes模型所刻畫的太陽爆發(fā)的全物理過程。
其次，破解日冕加熱和太陽風(fēng)加速之謎。通過近距離觀測和原位探測，提供日冕加熱具體機制的觀測實證；針對太陽風(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，揭示兩種太陽風(fēng)的起源與加速機制；完整描述日冕加熱和太陽風(fēng)加速的物理圖像。
再次，獲取太陽的關(guān)鍵物理信息。在黃道面之外，對不同緯度的日冕矢量磁場直接進(jìn)行原位探測，解決普適的常規(guī)測量日冕磁場的方法和技術(shù)缺乏的問題，對磁場和等離子體結(jié)構(gòu)進(jìn)行超近距離遙感觀測。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，確定太陽系塵埃盤內(nèi)邊界。
腳踏實地，多系統(tǒng)推進(jìn)夢想實現(xiàn)
太陽抵近探測計劃將首先攻克高溫與強輻射防護(hù)、長距離運載技術(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)，通過在距太陽極近的位置進(jìn)行探測，期望能夠揭示太陽爆發(fā)的理論機理，確認(rèn)日冕加熱機制，以及太陽風(fēng)的起源和加速機制。
其中，熱防護(hù)系統(tǒng)集成了多項先進(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)作為探測器數(shù)據(jù)管理與控制的中樞，集成了遙測遙控信息處理、數(shù)據(jù)存儲與下傳、時基管理與廣播、指令脈沖發(fā)送、主備份模塊控制切換及地面測試等多重功能，確保探測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)定運行。
星地通信系統(tǒng)將采用X波段測控數(shù)傳一體化體制，或Ka波段高速下行加上X波段上行測控數(shù)傳一體化方案，配置高增益天線，實現(xiàn)信息高速率傳輸。當(dāng)探測器在科學(xué)軌道上運行時，如果其通信窗口平均每天可達(dá)4小時，數(shù)據(jù)傳輸速率可穩(wěn)定保持在6Mb/s。
太陽抵近探測計劃將突破人類探測太陽的極限。通過捕捉高分辨率全景圖像，實現(xiàn)對太陽爆發(fā)核心磁場結(jié)構(gòu)的原位探測和近距離觀測與跟蹤，揭示日冕磁場包括極區(qū)磁場以及不同太陽風(fēng)源區(qū)的復(fù)雜細(xì)節(jié)，為科學(xué)家們提供理解太陽現(xiàn)象的新視角。這是一個勇闖深空“無人區(qū)”的計劃，它將完整揭示一顆恒星磁活動的奧秘，推動破解太陽物理領(lǐng)域百年難題。
太陽抵近探測計劃是我國構(gòu)建獨立自主的、先進(jìn)的太陽立體探測體系不可或缺的一環(huán)，與太陽極軌天文臺（SPO）形成不同距離上對太陽活動與太陽爆發(fā)在大緯度范圍內(nèi)的監(jiān)測，對CME進(jìn)行傳播全過程的跟蹤和溯源；與“羲和二號”（LAVSO）觀測平臺構(gòu)成多波段、多角度的立體觀測體系；與以2.5米地面太陽望遠(yuǎn)鏡為主的地面設(shè)備協(xié)同，實現(xiàn)對太陽風(fēng)從形成源區(qū)到日冕加速區(qū)的連續(xù)觀測。
未來，太陽抵近探測計劃與國內(nèi)其他太陽物理空間探測任務(wù)相互配合，共同獲取太陽活動和爆發(fā)的三維信息，實現(xiàn)對光球到日冕的連續(xù)觀測，為解開太陽奧秘提供更多線索。
（作者：柏正堯 林雋 程鑫，分別系云南大學(xué)信息學(xué)院教授;中國科學(xué)院云南天文臺研究員;南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院副院長、教授）
本文鏈接：http://jphkf.cn/news-8-4118-0.html太陽抵近探測：穿越火海的科學(xué)之旅
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