光明圖片/視覺中國
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太陽抵近探測計劃飛船發射後經地球—木星借力變軌、入軌過程以及最終的科學軌道示意圖。作者供圖
太陽爆發對地球周圍環境可能造成的影響示意圖。作者供圖
太陽活動正在進入有記錄以來的第25個極大期——科學家們警告，一場具有1859年卡林頓事件規模的超級太陽風暴正在醞釀。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境，帶來一系列連鎖反應，引發地球及周邊環境（即空間天氣）的快速變化，導致地磁暴、電離層擾動等現象，對衛星通信、導航、電力系統等現代技術系統造成嚴重影響。但，不用緊張！科學家們正在加緊對太陽的研究，試圖回答諸如太陽爆發的物理機制、日冕加熱的奧秘以及太陽風加速的動力學原理等複雜問題，從而解開困擾太陽物理甚至恆星物理學家近百年的未解之謎。
夸父逐日，正從神話變成現實
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行觀測。20世紀下半葉以來，太陽物理領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，美國發射了人類歷史上第一顆旨在觀測和研究太陽的人造衛星。截至目前，全球共發射了超過70顆人造衛（行）星，其中中國在軌運行衛星4顆，它們是「風雲二號」（fy-2）、「風雲三號e」（fy-3e）、「羲和一號」（chase）、「夸父一號」（aso-s）。
「羲和一號」和「夸父一號」實現了我國天基太陽探測衛星的跨越式突破，開啟了綜合性太陽探測的新時代，並已向全球共享部分觀測數據。為研究太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質拋射等現象提供了前所未有的觀測能力。使科學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聯。
上述太陽探測衛星大部分在環繞地球的軌道，或在地球的繞日軌道附近運行，只能對太陽進行遠距離觀測，無法對日冕磁場及其精細結構進行深度探測。
2018年8月12日，美國國家航空航天局成功發射了帕克太陽探測器（parker solar probe, psp），其目標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，這標誌着人類歷史上首次嘗試進入並穿越太陽最外層大氣——日冕，並近距離探測太陽（註：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於太陽風加速機制、日冕加熱原因等關鍵科學問題，這次發射也成為首個深入研究太陽最外層大氣的探測任務。2020年2月10日，由歐洲空間局和美國國家航空航天局聯合研製的太陽軌道飛行器（solar orbiter,solo）發射成功。太陽軌道飛行器攜帶先進的儀器，旨在捕捉太陽的詳細圖像並提供關鍵數據，這些數據對於全球科學家來說至關重要，有助於深入理解太陽活動，並預測災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，了解日冕結構等。
大膽的夢想，太陽抵近探測計劃
中國古代有不少關於太陽的神話傳說。例如，《山海經》中記載，「夸父與日逐走，入日；渴，欲得飲，飲於河、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》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。」三星堆遺址中發掘的青銅太陽樹，生動再現了這一古老神話。
如今，中國科學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，它以太陽爆發的lin-forbes模型為指導，通過突破一系列極限技術，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）、遠日點123個太陽半徑（距離太陽中心最遠的位置）、傾角64.9°的軌道上，進入深空探測的「無人區」，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域，以解決太陽物理界長期存在的科學難題。
根據中國科學院雲南天文台的研究，太陽抵近探測計劃將精心設計科學軌道，通過地球和木星的引力輔助，將探測器軌道傾角調整至約65°，並設定近日點在5個太陽半徑處，遠日點在123個太陽半徑處，以優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難題：太陽爆發機理難題和日冕加熱與太陽風加速機理難題。這一計劃未來將實現三方面的科學目標：
首先，破解太陽爆發機理難題。通過近距離觀測或原位探測太陽爆發磁結構，獲取磁重聯電流片幾何尺度，探測電流片、cme和激波的精細結構，以及高能粒子，全面證實由我國科學家建立的lin-forbes模型所刻畫的太陽爆發的全物理過程。
其次，破解日冕加熱和太陽風加速之謎。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；針對太陽風源區的湍流性質及其與離子電荷態凍結過程的關係，通過探測源區湍流結構和跟蹤重離子電荷態凍結過程，揭示兩種太陽風的起源與加速機制；完整描述日冕加熱和太陽風加速的物理圖像。
再次，獲取太陽的關鍵物理信息。在黃道面之外，對不同緯度的日冕矢量磁場直接進行原位探測，解決普適的常規測量日冕磁場的方法和技術缺乏的問題，對磁場和等離子體結構進行超近距離遙感觀測。根據塵埃與飛船碰撞產生的電脈衝，研究近日環境塵埃分佈，確定太陽系塵埃盤內邊界。
腳踏實地，多系統推進夢想實現
太陽抵近探測計劃將首先攻克高溫與強輻射防護、長距離運載技術、遠距離軌道精確控制以及先進載荷應用等技術難關，通過在距太陽極近的位置進行探測，期望能夠揭示太陽爆發的理論機理，確認日冕加熱機制，以及太陽風的起源和加速機制。
其中，熱防護系統集成了多項先進技術，包括採用耐高溫熱盾與稀土鉭酸鹽抗輻射塗料以增強防護能力，配備半導體熱電溫差供電系統以確保能源供應，以及引入先進自適應溫控系統以維持適宜的工作環境。耐高溫熱盾採用碳/碳複合材料，表面覆蓋有3層高反射熱防護塗料，以降低迎日面吸收率和熱發射率比值，提高陶瓷塗層韌性。
自主管理系統作為探測器數據管理與控制的中樞，集成了遙測遙控信息處理、數據存儲與下傳、時基管理與廣播、指令脈衝發送、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絡中斷的情況下持續高效穩定運行。
星地通信系統將採用x波段測控數傳一體化體制，或ka波段高速下行加上x波段上行測控數傳一體化方案，配置高增益天線，實現信息高速率傳輸。當探測器在科學軌道上運行時，如果其通信窗口平均每天可達4小時，數據傳輸速率可穩定保持在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，實現對太陽爆發核心磁場結構的原位探測和近距離觀測與跟蹤，揭示日冕磁場包括極區磁場以及不同太陽風源區的複雜細節，為科學家們提供理解太陽現象的新視角。這是一個勇闖深空「無人區」的計劃，它將完整揭示一顆恆星磁活動的奧秘，推動破解太陽物理領域百年難題。
太陽抵近探測計劃是我國構建獨立自主的、先進的太陽立體探測體系不可或缺的一環，與太陽極軌天文台（spo）形成不同距離上對太陽活動與太陽爆發在大緯度範圍內的監測，對cme進行傳播全過程的跟蹤和溯源；與「羲和二號」（lavso）觀測平台構成多波段、多角度的立體觀測體系；與以2.5米地面太陽望遠鏡為主的地面設備協同，實現對太陽風從形成源區到日冕加速區的連續觀測。
未來，太陽抵近探測計劃與國內其他太陽物理空間探測任務相互配合，共同獲取太陽活動和爆發的三維信息，實現對光球到日冕的連續觀測，為解開太陽奧秘提供更多線索。
（作者：柏正堯 林 雋 程 鑫，分別系雲南大學信息學院教授;中國科學院雲南天文台研究員;南京大學天文與空間科學學院副院長、教授）
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