太陽，是與我們關(guān)系最密切的一顆恒星，也是唯一一顆可以詳細研究的恒星。它為我們帶來了光明和溫暖，但同時也會對地球產(chǎn)生重大影響。我國第一顆綜合性太陽探測衛(wèi)星——先進天基太陽天文臺（ASO-S）將于2022年發(fā)射升空，揭示太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射（一磁兩暴）的形成及相互關(guān)系。
大約46億年前，在距離銀河系中心約2.6萬光年之處的螺旋臂上，一團分子云開始在自身的引力作用下坍縮，并逐漸形成了我們今天所熟悉的太陽。從古至今，太陽引發(fā)了人類太多的思考，我們對這顆耀眼的恒星充滿了好奇：它為什么會發(fā)光？它是永恒存在的嗎？它的結(jié)構(gòu)是什么？它有哪些顯著特征？它會對地球造成哪些影響？為了回答這些問題，科學家不僅發(fā)展出了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)，還建造或發(fā)射了各種探測器，層層揭開太陽的神秘面紗。太陽主要由氫組成，它之所以能夠在幾十億年中一直穩(wěn)定地發(fā)光發(fā)熱，是因為其內(nèi)部一直在持續(xù)進行氫聚變成氦的熱核反應(yīng)。我們可以把這太陽內(nèi)部的聚變反應(yīng)想象成不斷的有氫彈在持續(xù)爆炸。每一秒，太陽核心就有6億噸氫元素聚變成氦元素，將近400萬噸的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成能量。
更具體地說，在太陽的內(nèi)部，質(zhì)子會通過一系列的反應(yīng)聚變成氦-4原子核，從而釋放出能量。這是一個被稱為質(zhì)子-質(zhì)子鏈（pp鏈）的聚變過程，在這個過程中，也會釋放出正電子（電子的反粒子）、伽馬射線和中微子。理論表明，太陽的99%的能量都是通過pp鏈的一系列聚變反應(yīng)釋放的。2018年，位于意大利中部的亞平寧山脈地下深處的Borexino實驗通過測量來自太陽的中微子，確認了pp鏈是太陽的主要能量來源。太陽內(nèi)部另一個重要的聚變反應(yīng)過程被稱為碳氮氧循環(huán)（CNO循環(huán)），產(chǎn)生的核能約為1%。2020年11月，同樣是Borexino實驗，通過測量中微子，首次確認了CNO循環(huán)的存在。
pp鏈與CNO循環(huán)是太陽的主要聚變過程。
萬物皆有其生命周期，太陽也不例外。只是相比于太陽的演化史，人類歷史不過滄海一粟，所以每天東升西落的太陽才會被誤以為是亙古不變的。根據(jù)太陽中現(xiàn)有的氫氦含量對比，科學家計算出太陽還將繼續(xù)“燃燒”約50億年。屆時，太陽的外層將膨脹得非常大，變成一顆巨大的紅巨星。那些靠近它的行星，如水星、金星，甚至是地球都將被這個“紅色大胖子”吞沒。太陽的生命在“夕陽紅”階段還能持續(xù)數(shù)百萬年，然而一旦太陽聚變了它所可能聚變的最重元素，它的外層大氣最終會爆炸飛散，形成壯麗的行星狀星云，其核心則會轉(zhuǎn)變成一個致密天體——白矮星。
白矮星是銀河系中絕大多數(shù)類太陽恒星的宿命。然而，我們不必為此過分擔心，因為這將發(fā)生在遙遠的數(shù)十億年后?，F(xiàn)在我們把目光集中到正當壯年的太陽上。與地球相比，太陽非常之大，其半徑約為70萬千米，是地球半徑的109倍。根據(jù)不同物理特性，天文學家將太陽的結(jié)構(gòu)分為好幾個層次：
熱核聚變反應(yīng)發(fā)生在太陽的核心，那里的溫度、壓力和密度都極高。熱核聚變產(chǎn)生的能量以光子形式存在，光子首先會通過輻射層，再在對流層以強對流形式將能量傳遞到外層大氣。在太陽中心產(chǎn)生的光子想要逃離太陽實際上是非常艱難的，需要耗時數(shù)萬年。而太陽中微子卻可以在約8分鐘的時間就完成逃離并抵達地球，這是因為它們幾乎不與物質(zhì)相互作用，且能以接近光的速度傳播。這也是為什么Borexino實驗會通過探測中微子來探索太陽的核心。從太陽的結(jié)構(gòu)看，也許你會認為隨著距離核心越來越遠，溫度也會逐漸下降，正如太陽表面的溫度遠遠低于核心的一樣。但出乎意料的是，太陽高層大氣的溫度分布與內(nèi)層大氣正好相反，越往外溫度越高，從色球?qū)拥撞?/span>（~4000度）逐漸增加。色球高層溫度可以達到幾萬度，但更更令人驚訝的是，最外層的日冕溫度竟高達百萬度！這種反常的溫度分布被稱為“日冕高溫之謎”，至今仍是太陽物理學中最大的謎題之一。仔細觀察太陽（在任何時候都不要直接用眼睛去看太陽，即使是日食期間），就會發(fā)現(xiàn)太陽具有豐富的現(xiàn)象，其中一些特別顯著的特征：這是太陽表面的黑斑，含有不斷變化的強磁場。早在2000多年前，中國古代就有黑子的相關(guān)記錄。到了1610年，伽利略利用自制的望遠鏡觀測太陽時，確認了黑子的存在。經(jīng)過幾百年的連續(xù)觀測統(tǒng)計，我們能夠很明顯地看到黑子的數(shù)量和位置呈現(xiàn)出的周期性變化，這就是著名的太陽11年活動周期。
這是一種強烈的輻射爆發(fā)，非常明亮，可以持續(xù)幾分鐘到幾小時。耀斑是太陽系中最激烈的爆炸事件，它所輻射出的光的波長橫跨整個電磁波譜（從射電波到伽馬射線）。
太陽的外層大氣日冕會突然猛烈地釋放出等離子體和磁場，其蘊含的能量和耀斑相當。一個巨大的日冕物質(zhì)拋射可包含數(shù)十億噸的物質(zhì)，這些物質(zhì)會被加速到極高的速度沖向太空，在其旅途中可與任何行星或航天器發(fā)生撞擊。
圖片素材：日冕物質(zhì)拋射-ESA&NASA/SOHO、太陽耀斑-SDO、太陽黑子-NSO/AURA/NSF無論是黑子、太陽耀斑亦或日冕物質(zhì)拋射，它們的根源都是太陽磁場。變化的太陽磁場不僅可以在光球?qū)赢a(chǎn)生黑子，還能觸發(fā)耀斑和日冕物質(zhì)拋射。太陽磁場、耀斑和日冕物質(zhì)拋射三者簡稱為“一磁兩暴”。 盡管太陽距離地球平均達1.5億公里，但一旦太陽“發(fā)威”，耀斑和日冕物質(zhì)拋射產(chǎn)生的磁云會裹挾著大量帶電高能粒子，直奔地球而來，對地球環(huán)境，尤其是與現(xiàn)代生活息息相關(guān)的電磁環(huán)境造成嚴重破壞。2003年萬圣節(jié)期間，太陽不甘寂寞充當了一次“搗蛋鬼”的角色，結(jié)結(jié)實實給地球搗了一次亂，使歐美的GOES、ACE、SOHO和WIND等一系列科學衛(wèi)星都遭受了不同程度損害，導致全球衛(wèi)星通訊受到干擾，GPS全球定位系統(tǒng)受到影響，定位精度出現(xiàn)了偏差，致使地面和空間一些需要即時通訊和定位的交通系統(tǒng)遭到不同程度的癱瘓。這次太陽事件也被稱為“萬圣節(jié)風暴”。鑒于這些情況，持續(xù)地對太陽活動進行監(jiān)測是非常有必要的。據(jù)計算，一旦發(fā)生太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射等爆發(fā)活動，科學家可以至少提前40個小時得到信息，從而及時做出相關(guān)的防護舉措，以避免對人類生存環(huán)境造成破壞。 太陽會釋放出不同波長的光，但地球的大氣并非對所有的波段都是透明的，在地面上只能觀測到可見光和紅外光，以及有限的紫外光和射電輻射，它們在寬廣的太陽輻射波譜中只占很小的一部分。所以，只有將探測器發(fā)射到太空中去，避開地球大氣的影響，從各個波段研究太陽，才能夠描繪出一幅完整的圖像。
通過地面和太空中不同波段的望遠鏡，可以研究太陽的不同細節(jié)。| 圖片素材：The University of Chicago自上世紀60年代以來，世界各國已經(jīng)先后發(fā)射了70多顆太陽探測相關(guān)衛(wèi)星進入太空。2018年，備受矚目的帕克太陽探測器發(fā)射升空，它以前所未有的近距離對太陽進行觀測，并已經(jīng)獲取一定的成果。在這場太陽的探索之旅中，我國在太陽探測衛(wèi)星方面一直缺席，直到ASO-S的出現(xiàn)！探索太陽的一系列任務(wù)，發(fā)光處為研制中的ASO-S衛(wèi)星。| 圖片素材：NASA/GoddardASO-S衛(wèi)星的主要科學目標正是一磁兩暴，即觀測和研究太陽磁場、太陽耀斑和日冕拋射三者之間的關(guān)系。ASO-S衛(wèi)星的科學目標。| 圖片素材：NASA/SDO/AIA/LMSALASO-S衛(wèi)星由三臺有效載荷組成，用于測量太陽磁場，以及觀測日冕物質(zhì)拋射和太陽耀斑：ASO-S是中國科學院戰(zhàn)略性先導專項“空間科學（二期）”啟動的四項衛(wèi)星工程之一。這也是我國第一顆綜合性太陽探測衛(wèi)星，計劃于2022年趕在下一個太陽活動峰年前夕發(fā)射，預(yù)期在軌運行不少于4年。
ASO-S成功發(fā)射后，將詳細記錄第25個太陽活動周的“太陽風暴”。屆時，圍繞ASO-S觀測結(jié)果的研究將成為國際熱點，科學家在研究“一磁兩暴”自然規(guī)律的同時，也會及時預(yù)報太陽爆發(fā)對人類的影響，以造福全人類。 NASA’s Goddard Space Flight Center
編輯：王科超、高娜
參考來源：
https://www.nao.ac.jp/en/news/science/2020/20201126-mizusawa.htmlhttps://www.nature.com/articles/d41586-018-07099-1https://www.nature.com/articles/d41586-020-03238-9https://link.springer.com/article/10.1007/s11207-020-01736-7https://mp.weixin.qq.com/s/5MqdJu-ItucGKnN8T3ziyg
