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太阳,这颗距离我们最近的恒星,既是地球(qiu)生命的摇篮,也是人类文明的基石。从原始(shi)部落的篝火崇拜到现代(dai)社会的清洁能源革命,从伽利略望远镜下(xia)的黑子观测到帕克太阳探测器穿(chuan)越日(ri)冕,人类对太阳的认知逐步(bu)深入,在持(chi)续不(bu)断的“逐日(ri)”中了解太阳,在日(ri)升日(ri)落的轮回里解码自然。
约100年(nian)前,英(ying)国天文学家爱(ai)丁顿曾对爱(ai)因斯坦说,受不(bu)透明度的影响,太阳和其他恒星内部是宇宙中最难以探测的结构。1962年(nian),加州理工大学教授莱顿就偶然发现,太阳表面(mian)并(bing)非平静如(ru)镜,而是一直在振荡,仿佛在“呼吸”。在这一发现的30年(nian)后,天文学家根据太阳表面(mian)的振荡反(fan)演出(chu)了太阳的内部结构。透过太阳的“呼吸”,人们进一步(bu)认识了太阳。
太阳的影响
呵护万(wan)物生长(chang),也“变幻无常”
大约在46亿年(nian)前,一个由气体夹杂着尘埃的巨大星云在引力扰动下(xia)开始(shi)坍缩,随着物质向中心聚集,99.86%的质量形成了原始(shi)太阳,其余则逐步(bu)汇聚成八大行星、矮行星和小行星,其中就有我们的地球(qiu)。经过约3亿年(nian)的漫长(chang)演化,地球(qiu)上诞生了原始(shi)生命。
到目前为止,地球(qiu)仍是我们所知唯一存在生命的星球(qiu)。生命之所以能够在地球(qiu)上出(chu)现并(bing)呈现千姿百态,离不(bu)开赖以生存的太阳,太阳为生命的存在和繁衍提供了不(bu)可或缺的光和热(re)。更重要的是,太阳大气日(ri)冕不(bu)断往外运动形成太阳风(feng),从而吹出(chu)一个被称为日(ri)球(qiu)层(ceng)的巨大“襁褓”,将太阳系八大行星包裹其中。日(ri)球(qiu)层(ceng)为我们阻挡了70%的宇宙射线,从而使(shi)得地球(qiu)能够在诡谲(jue)多变的浩瀚宇宙中偏居一隅、岁月静好(hao)。
然而,太阳也有自己的“脾(pi)气”。太阳上的各(ge)种爆发现象,如(ru)太阳耀斑和日(ri)冕物质抛射,释放出(chu)来的能量相(xiang)当于上百亿颗原子弹(dan)的当量,并(bing)将几十亿吨的物质高速抛向太空。一旦这些(xie)物质撞向地球(qiu),有可能产生强烈的地磁暴,严重干扰卫星运行、通信导航,甚至电网和石油管道的安全。1989年(nian)的太阳爆发导致加拿大魁北克省水电站的变压器烧毁(hui),2022年(nian)的太阳爆发导致40颗星链卫星坠(zhui)入大气层(ceng)。太阳上面(mian)还点(dian)缀着大大小小的黑子,黑子时多时少,呈现一个平均约11年(nian)的周期(qi)。黑子越多、太阳越亮,这就使(shi)得太阳亮度同样(yang)呈现一个11年(nian)的变化周期(qi)。虽然这种亮度变化幅度很小,却足以影响地球(qiu)的树木年(nian)轮、洪(hong)水,甚至是小麦(mai)的价格。1645—1715年(nian)期(qi)间,太阳上出(chu)现了几乎没有黑子的“蒙德极小期(qi)”,这正好(hao)对应地球(qiu)上小冰期(qi)最冷的一段时间。
地球(qiu)绕太阳的轨(gui)道也不(bu)是一成不(bu)变的,其他行星对地球(qiu)的引力会让地球(qiu)的轨(gui)道变得更加扁平,地球(qiu)就会周期(qi)性经历寒冷的冰期(qi)。随着太阳逐渐(jian)变老,太阳的亮度会稳步(bu)增加。10亿年(nian)后,太阳的亮度会增加10%,届时江(jiang)海湖泊都将蒸干。50多亿年(nian)后,不(bu)断膨胀的太阳甚至可能把地球(qiu)吞没。
探索的脚步(bu)
从举(ju)头“望日(ri)”到抵近“探日(ri)”
黑子是太阳上最早被发现的神秘特征(zheng)。在望远镜发明之前,人类通过肉眼只能看到很大的黑子,我国古籍中有上百次关于太阳黑子的记载。1609年(nian),伽利略发明天文望远镜之后,黑子的数目得以每日(ri)记录(lu);1843年(nian),施瓦(wa)布(bu)发现太阳黑子存在11年(nian)的周期(qi);1859年(nian),卡林顿在观测太阳黑子时意外发现了太阳耀斑现象。到了20世纪,随着望远镜性能的不(bu)断提高,越来越多的太阳结构特征(zheng)和太阳运动陆续被观测到:1941年(nian)观测发现日(ri)冕的温度高达百万(wan)度,1959年(nian)卫星测量证实日(ri)冕以数百公里每秒的速度往外运动形成太阳风(feng),1962年(nian)发现太阳表面(mian)的五分钟振荡,1971年(nian)发现日(ri)冕物质抛射现象……
工欲善其事,必先利其器。每一次望远镜性能的提升都给太阳物理带来新的发现,甚至引发我们对太阳的全新认识。400多年(nian)前伽利略观测太阳黑子的望远镜直径只有1.5厘米,而目前全世界最大的太阳可见光望远镜直径达4米。在我国,1979年(nian)建(jian)成的南京大学太阳塔为太阳耀斑的光谱研究作出(chu)了卓越贡献,1984年(nian)建(jian)成的中国科学院国家天文台磁场望远镜为研究太阳磁场的长(chang)期(qi)演化提供了宝贵资料,2012年(nian)建(jian)成的云南天文台红(hong)外太阳望远镜使(shi)我国的太阳观测研究进入世界第一梯队。如(ru)今,我国的1.8米太阳望远镜已初步(bu)建(jian)成,2.5米太阳望远镜也正在研制(zhi)。这两台望远镜都采用了自适应光学技术,可以最大程(cheng)度降低地球(qiu)大气抖动对观测带来的影响。
我国在太阳空间探测方面(mian)起步(bu)较晚,2001年(nian)神舟二号飞船上搭载了太阳X射线和伽马射线探测器;2021年(nian)8月发射的风(feng)云气象卫星搭载了我国首个X射线和极紫(zi)外成像仪;同年(nian)10月,我国发射了羲和号太阳探测卫星,在国际上首次实现全日(ri)面(mian)色球(qiu)光谱空间观测,并(bing)得到了太阳低层(ceng)大气自转角速度随高度和纬度的分布(bu)。目前,10余个国家的科研人员正在分析羲和卫星数据。2022年(nian)10月,我国发射了夸父(fu)一号太阳探测卫星,可同时测量太阳表面(mian)的磁场演化、监视太阳耀斑和日(ri)冕物质抛射过程(cheng)。
我国古代(dai)的“逐日(ri)”神话,已经变成了如(ru)今抵近“探日(ri)”的现实。
人类与太阳
从探索奥秘到生活应用
日(ri)升日(ri)落,从未停息,我们所熟悉的太阳蕴藏着大量奥秘:太阳内部是如(ru)何分布(bu)的、太阳磁场是如(ru)何产生的、日(ri)冕是如(ru)何被加热(re)到上百万(wan)摄氏(shi)度(太阳表面(mian)温度约5500摄氏(shi)度)的、日(ri)冕磁场是如(ru)何分布(bu)的、太阳爆发是如(ru)何触(chu)发的、太阳爆发会对地球(qiu)产生多大的影响……
为了破解这些(xie)奥秘,科研人员在分析现有观测数据的同时,也在规(gui)划未来的探测路径。对于太阳内部结构,所有的电磁波都难以窥见其真容(rong),中微子却可以,我国学者正在建(jian)造中微子探测器以研究太阳内部的精确分布(bu);对于日(ri)冕加热(re)问题(ti),美(mei)国和日(ri)本都有卫星发布(bu)计划,我国科研人员也在筹划抵近探测卫星;对于日(ri)地空间环境,美(mei)国和我国都正在筹划立体探测网;对于太阳爆发及其对地球(qiu)的影响,我国正计划在日(ri)地第五拉格朗(lang)日(ri)点(dian)部署羲和二号卫星;对于太阳磁场的起源,美(mei)国和我国同行都在筹划太阳极轨(gui)卫星,以期(qi)首次实现对太阳极区的正面(mian)成像。
经常会有人问:研究太阳,意义在哪里?科研的目的,一是拓展人类的认知边界,探索大自然的奥秘;二是引领新技术的发展。比如(ru),地外天体通常距离我们非常遥远,天文探测经常面(mian)临的是极微弱(ruo)信号,对分辨极微弱(ruo)信号的需求大大促(cu)进了新技术的进步(bu)。太阳物理研究非常重要。一方面(mian),太阳上的各(ge)种结构和爆发现象也会出(chu)现在其他恒星上或黑洞周围,但(dan)唯有太阳可以被我们在相(xiang)对较近的距离观测,对太阳的研究可以为探索其他天体的奥秘提供不(bu)可或缺的参考;另一方面(mian),太阳爆发会对人类产生灾害性影响,因此,对太阳的研究可以为预报以及减少这些(xie)灾害性影响提供理论基础。在未来,如(ru)果火星移民和星际探索成为现实,我们需要考虑的一个重要问题(ti)就是在太空中避免太阳爆发产生的高能粒子轰击(ji)我们的身体。