日前舉行的日地L5太陽探測工程（羲和二號）項目啟動會透露，我國計劃在2028年至2029年間，擇機向日地L5（第五拉格朗日點）發射羲和二號，從全新的波段與視角對太陽開展立體觀測。中國科普作家協會會員雷淼介紹，這將是國際上首次將人造探測器長期部署在日地L5，有望在太陽爆發機制方面取得有世界級影響力的科學成果，並為空間天氣預警和預報帶來革命性的推動。
（1）中國將從全新視角立體觀測太陽
何謂「羲和」？羲和是《山海經》中的太陽之母，是《楚辭》中駕馭太陽車東升西落的神，也是中國古代觀測天象與制定曆法的官職。2021年10月發射的我國首顆太陽探測科學技術試驗衛星被命名為「羲和號」，它標誌著我國步入空間探日時代。而羲和二號是在羲和號基礎之上邁出的重要一步，羲和二號發射後，將從全新的波段和視角對太陽開展立體觀測。
為什麼說是立體觀測呢？羲和號圍繞地球運行，距離地面平均只有517公里，它和地球看到太陽的視角可以說是一樣的。而羲和二號將去往日地L5，尾隨地球圍繞太陽運行，它距離太陽和地球各1.5億公里，和二者構成了一個等邊三角形。如果太陽向地球拋出一團日冕物質，那麼羲和二號能提供一個「旁觀者」的視角，告訴地球所看到的「這一拳」是如何打出來的。這將是國際上首次將人造探測器長期部署在日地L5：此前人類發射的太陽探測器已有70多顆，絕大多數都分布在日地連線上，少數環繞太陽運行，還有些漂移到太陽背後去，卻還沒有探測器在日地L5長期駐留。
從羲和二號所在的位置，可以瞧見地球上無法看到的太陽側後方60°區域，而這一區域的太陽將在四五天後隨著太陽自轉朝向地球。所以，如果太陽正在悄悄醞釀即將撲向地球的災害性空間天氣，如耀斑、日冕物質拋射等，那麼羲和二號能夠先於地球察覺，為應急響應爭取更多準備時間。同時，它將對太陽磁場和太陽活動實現精細測量，結合地球視角的觀測數據，建立完整的太陽爆發三維物理模型，並增強我國空間天氣預警預報能力。
總而言之，羲和二號是一項科學目標牽引、工程技術支撐、具有國際前瞻性的原創性深空探測工程。其首次奔赴日地L5的壯舉，將填補國際上太陽立體觀測的空白。
（2）羲和二號為何選擇第五拉格朗日點
羲和二號將前往的日地第五拉格朗日點身處何處？
要了解拉格朗日點是什麼，先來分析另一個問題：在地球軌道面的哪個位置放個小天體，可以使它圍繞太陽公轉時，與太陽、地球的相對位置保持不變呢？這實際上是一個通常不可精確求解的三體問題，但在比較嚴格的限定條件下，如「在同一個平面上，第三個天體的質量小到可忽略不計」，還是可以求得幾個特解的。1767年，瑞士數學家、自然科學家歐拉求出了這個問題的3個特解。1772年，法國數學家、物理學家拉格朗日又算出另外2個特解。這5個特解在公轉軌道附近所對應的位置，就叫作「拉格朗日點」，分別被編號為L1、L2、L3、L4、L5。
這5個數字分別對應著唯一的位置，不可任意調換。以太陽和地球為例：L1在日地之間的連線上，並且距離地球更近；L2在日地的連線延長線上，位於地球一側，或者可理解為在地球陰影方向；L3在地日的連線延長線上，位於太陽身後、地球的對面，與太陽的距離基本等於日地距離；L4和日地成等邊三角形，引領著地球運行；L5和日地成等邊三角形，尾隨著地球運行。
具體來說，L1在日地之間，這個位置適合放置研究太陽的探測器（如日光層探測儀），它們距離地球150萬公里左右，在月球軌道以外，永遠不會掉進地球或月球的陰影，並且會比地球提前撞上太陽拋來的物質。
L2在地球陰影方向，距離地球也是150萬公里左右。這個位置適合做一些背向日月地球、向宇宙超深空凝望、探測宇宙大爆炸餘輝的任務，如威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）與韋布空間望遠鏡（JWST）。
目前，還沒有航天器在L3工作。這裡和地球之間隔著太陽，即使獲得信息也發不過來，而且這個位置十分難以保持穩定。但L3是科幻小說作者鍾情的地方，常常在這裡描繪一個「反地球」，在這裡做些不想讓人類察覺的事情。
L4和L5的穩定性容易維持，也很適合研究太陽，但過去沒有長期部署在此的探測任務，一是它們和地球距離太遠（1個日地距離），二是過去研究太陽的工作任務在L1基本就能實現。相較而言，L5比L4更有應用價值，因為這裡位於太陽自轉的上游，當太陽風暴爆發時，L5可以比地球提前四五天知道，為地球發來預警，這也正是羲和二號選定L5的原因。
（3）太陽活動低年為何也要研究？
羲和二號預計在2028年至2029年發射，設計壽命7年，能夠覆蓋到太陽活動從低年爬升到高年的這段時間，以實現對太陽磁場和太陽活動的變化進行全面的觀測研究。經過中國北方頻繁出現極光的2024年和2025年，大家對黑子、耀斑、日冕物質拋射這些太陽活動應該都比較熟悉了，那麼，在太陽活動低年（指太陽活動周期中黑子數量最少、活動最微弱的年份），科學家能研究些什麼呢？
其實，太陽活動低年也會惹出不少麻煩，而這些同樣是空間天氣預警要留意的事情。
1、乘虛而入的宇宙線
國際空間站的數據表明，航天員受到的輻射當量有80%左右來自宇宙線。在太陽活動高年（指太陽黑子數量達到極大值的年份），日球層電流片會起伏顛簸得很厲害，阻滯宇宙線對太陽系的進攻，而在相對平靜的太陽活動低年，宇宙線就比較容易「殺」進來了。也就是說，太陽活動低年卻是宇宙線的高年。我國載人登月計劃實施的2030年，正是太陽活動低年，所以要對宇宙線加強防範。
2、來自冕洞的高能粒子
在日冕中有一些成片的較暗區域，能量和氣體密度都比周圍低一些，看上去就像個洞口，所以叫作「冕洞」。帶電的太陽粒子平時被困在太陽周圍的磁場里，而如果出現冕洞，粒子就會從這裡逃逸，比平時的太陽風速度快一倍。在太陽活動高年，冕洞會集中在太陽兩極周圍，對地球影響不大。而到了太陽活動低年，冕洞會在太陽赤道附近出現，把炮口瞄向太陽系行星的軌道面，並且大小和數量都會增加。隨著太陽自轉，從冕洞逃出來的高能粒子流每隔27天左右就要浩浩蕩蕩掃過地球一次，將大量帶電粒子注入地球的外輻射帶，給在這裡運行的衛星（包括許多導航、氣象、通信衛星）帶來破壞。
3、高傾角近地衛星靜電
運行在近地軌道上的衛星也會因太陽活動低年受到打擾，不過有趣的是，打擾的肇因不是主動攻擊，而是消極怠工。當軌道傾角較大的低軌衛星穿越地球兩極附近的時候，會遇到從地磁場兩端的「漏斗」傾瀉下來的帶電粒子，其中電子會在衛星上累積，累積到一定程度時就會產生靜電放電，危及衛星安全。但好在低軌衛星運行在電離層中，太陽的極紫外輻射在這裡電離了地球大氣，產生了大量自由的正電荷與負電荷。正電荷能夠中和衛星表面積累的電子，緩解衛星的充電效應。然而，到了太陽活動低年，因為極紫外輻射降低，電離層的電離程度也會隨之降低，正電荷的供給就有點跟不上了，導致低軌衛星更容易遭遇充電效應的威脅。
所以，太陽活動帶來的空間天氣複雜多變，高年和低年各有各的煩惱，在各個時期，太陽磁場與隨之變化的空間環境都是羲和二號的探測研究內容。
在宇宙中，太陽是唯一可開展高空間解析度觀測的恆星，也是唯一可實現多視角立體探測的恆星。通過對太陽的觀測和研究，能夠深入了解宇宙等離子體的運動和演化、高能粒子的加速和傳播、天體爆發現象的物理機制，以及恆星活動和行星宜居性等科學問題，具有重大的科學意義。太陽也是地球上災害性空間天氣的主要肇因，所以了解太陽活動規律對於地球上的人類生產活動也具有重要的現實意義。
目前，我國正在論證後續太陽探測發展計劃並陸續付諸實施，科學家希望按照在黃道面內多視角探測（以羲和二號為代表）、大傾角太陽極區探測（以夸父二號為代表）和太陽抵近觀測「三步走」推進，由易到難，逐步深入，進一步了解太陽的活動規律，更準確地預報空間天氣，為造福人類生活、地球安全保駕護航。
（供圖：視覺中國）
來源：北京日報客戶端
記者：汪丹
