太陽(yáng)磁場(chǎng)的秘密科普知識(shí)
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我國(guó)第一顆綜合性太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星——先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)（ASO-S），即將進(jìn)入正樣研制階段。目前，衛(wèi)星的工程樣機(jī)研制已經(jīng)接近完成，有望于2022年發(fā)射升空。ASO-S主要科學(xué)目標(biāo)為研究“一磁兩暴”，即太陽(yáng)磁場(chǎng)以及兩類(lèi)最劇烈的太陽(yáng)爆發(fā)現(xiàn)象——耀斑和日冕物質(zhì)拋射。屆時(shí)，ASO-S將詳細(xì)記錄第二十五個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周的“太陽(yáng)風(fēng)暴”，并及時(shí)預(yù)報(bào)太陽(yáng)爆發(fā)對(duì)地球的可能影響。
“ASO-S將搭載3臺(tái)不同功能的太陽(yáng)探測(cè)望遠(yuǎn)鏡，一個(gè)是全日面矢量磁像（FMG），專(zhuān)門(mén)觀(guān)測(cè)太陽(yáng)磁場(chǎng)；一個(gè)是硬X射線(xiàn)成像儀，專(zhuān)門(mén)觀(guān)測(cè)太陽(yáng)耀斑；一個(gè)是萊曼阿爾法太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡，專(zhuān)門(mén)觀(guān)測(cè)日冕物質(zhì)拋射。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)FMG載荷團(tuán)隊(duì)相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，作為ASO-S的一個(gè)重要組成部分，F(xiàn)MG的測(cè)量目標(biāo)將是太陽(yáng)物理學(xué)中的“第一觀(guān)測(cè)量”——磁場(chǎng)。
一、令人著迷的太陽(yáng)磁場(chǎng)
1908年，美國(guó)太陽(yáng)物理學(xué)家海爾首次觀(guān)測(cè)到太陽(yáng)磁場(chǎng)。隨著太陽(yáng)磁場(chǎng)的發(fā)現(xiàn)，也開(kāi)啟了現(xiàn)代太陽(yáng)物理學(xué)。從此，人類(lèi)開(kāi)始密集地探索太陽(yáng)上各種現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)。一些探索還極大地推動(dòng)了物理學(xué)基礎(chǔ)理論的發(fā)展。
太陽(yáng)磁場(chǎng)中儲(chǔ)存著巨大的能量。當(dāng)磁場(chǎng)演化到一定階段后，太陽(yáng)就像是被觸怒了一樣，突然將這些能量一股腦地傾瀉出來(lái)。太陽(yáng)上大體存在兩類(lèi)這種大規(guī)模的爆發(fā)性磁活動(dòng)現(xiàn)象：耀斑和日冕物質(zhì)拋射。
FMG載荷團(tuán)隊(duì)研究員蘇江濤表示，太陽(yáng)極其復(fù)雜的磁場(chǎng)也引發(fā)了許多令人著迷的顯著特征，比如太陽(yáng)黑子等�！巴ㄟ^(guò)望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家可以觀(guān)測(cè)到簡(jiǎn)單的偶極活動(dòng)區(qū)在日面上面積不斷變大的演化過(guò)程。通過(guò)磁流體力學(xué)（MHD）模擬，能夠看到與活動(dòng)區(qū)相關(guān)的磁力線(xiàn)從太陽(yáng)內(nèi)部浮現(xiàn)出來(lái)，不斷向上膨脹，穿過(guò)光球?qū)�、色球�(qū)�、過(guò)渡區(qū)和日冕�！�
太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)以外的區(qū)域被稱(chēng)為寧?kù)o區(qū)。隨著望遠(yuǎn)鏡空間分辨率、時(shí)間分辨率的提高，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)上的寧?kù)o區(qū)其實(shí)并不寧?kù)o。有許多小尺度活動(dòng)現(xiàn)象都與寧?kù)o區(qū)的磁場(chǎng)變化有關(guān)，比如在光球?qū)涌梢钥吹矫琢＝M織的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，在色球?qū)涌梢钥吹结槧铙w的運(yùn)動(dòng)和演化等等。
“正是太陽(yáng)的磁場(chǎng)及其活動(dòng)導(dǎo)致了黑子周期、太陽(yáng)爆發(fā)以及日冕加熱。因此，測(cè)量太陽(yáng)磁場(chǎng)是太陽(yáng)物理學(xué)者最重要的使命之一，也是必須完成的任務(wù)。”蘇江濤表示。
二、觀(guān)測(cè)從地基到太空
雖然人類(lèi)對(duì)太陽(yáng)的觀(guān)測(cè)有著悠長(zhǎng)的歷史，但對(duì)它的真正深入理解則始于上個(gè)世紀(jì)初。
一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，海爾所開(kāi)創(chuàng)的利用塞曼效應(yīng)測(cè)量光球磁場(chǎng)的方法一直被人們所沿用。今天我們已經(jīng)能夠?qū)θ彰娴墓馇蚴噶看艌?chǎng)進(jìn)行較高精度的測(cè)量。在中國(guó)，艾國(guó)祥院士創(chuàng)建的國(guó)家天文臺(tái)懷柔太陽(yáng)觀(guān)測(cè)基地對(duì)光球磁場(chǎng)測(cè)量也作出了重要的貢獻(xiàn)。這些磁場(chǎng)測(cè)量大大促進(jìn)了我們對(duì)太陽(yáng)爆發(fā)機(jī)制的理解。
直到1990年，歐洲、美國(guó)、日本陸續(xù)發(fā)射了可用于觀(guān)測(cè)太陽(yáng)磁場(chǎng)的空間衛(wèi)星，人類(lèi)對(duì)于太陽(yáng)的觀(guān)測(cè)開(kāi)始進(jìn)入到空間觀(guān)測(cè)時(shí)代。FMG載荷團(tuán)隊(duì)研究員鄧元勇表示，“相較于地基觀(guān)測(cè)，空間觀(guān)測(cè)能夠連續(xù)、穩(wěn)定地獲得數(shù)據(jù)”。
1995年，美國(guó)搭載了測(cè)量太陽(yáng)速度場(chǎng)和磁場(chǎng)觀(guān)測(cè)儀器的SOHO衛(wèi)星發(fā)射入軌，人類(lèi)擁有了真正意義上的首個(gè)空間太陽(yáng)磁場(chǎng)觀(guān)測(cè)設(shè)備；2006年，我國(guó)懷柔太陽(yáng)觀(guān)測(cè)基地的全日面矢量磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡，觀(guān)測(cè)到了世界上第一張全日面矢量磁圖。同年，日出衛(wèi)星發(fā)射成功，人類(lèi)首次用50厘米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行空間太陽(yáng)光學(xué)和磁場(chǎng)觀(guān)測(cè)；2010年，空間矢量磁場(chǎng)觀(guān)測(cè)的主角變成美國(guó)的SDO衛(wèi)星；到2022年，這一主角將是我國(guó)的ASO-S衛(wèi)星。
三、全日面矢量磁像儀的重任
在19世紀(jì)40年代，德國(guó)的'藥劑師、業(yè)余天文愛(ài)好者施瓦布在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)后，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)黑子數(shù)存在周期性的變化。從太陽(yáng)活動(dòng)峰年到谷年再到峰年，大約是11年。而在總結(jié)了以前的觀(guān)測(cè)資料后，科學(xué)家把1755-1766年定義為第一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周。2021—2022年正處于第25個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期的開(kāi)始階段，太陽(yáng)黑子將越來(lái)越多，太陽(yáng)磁場(chǎng)也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，太陽(yáng)的爆發(fā)會(huì)增加，預(yù)期在2025年前后達(dá)到峰值。
與國(guó)際上之前的70多顆太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星相比，ASO-S衛(wèi)星最大的特點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn)“一磁兩暴”的科學(xué)目標(biāo)，即在一個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)上同時(shí)觀(guān)測(cè)太陽(yáng)磁場(chǎng)、太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射，研究它們?nèi)咧g的關(guān)系。
“ASO-S衛(wèi)星2022年發(fā)射應(yīng)該是一個(gè)非常好的時(shí)機(jī)，能夠觀(guān)測(cè)到一個(gè)較為完整的太陽(yáng)周期�！编囋卤硎�，作為觀(guān)測(cè)太陽(yáng)“第一觀(guān)測(cè)量”的儀器，ASO-S搭載的全日面矢量磁像儀，與SDO衛(wèi)星上的日震和磁成像儀相仿，但具有相對(duì)更好的磁場(chǎng)測(cè)量精度，將用于全日面太陽(yáng)矢量磁場(chǎng)的高時(shí)間分辨率、高空間分辨率和高靈敏度測(cè)量。
FMG基于雙折射濾光器，相較于日出衛(wèi)星的Stokes參數(shù)儀，具有更大的視場(chǎng)、更高的觀(guān)測(cè)效率和時(shí)間分辨率；相較于SDO衛(wèi)星和SOHO衛(wèi)星的磁像儀，觀(guān)測(cè)模式簡(jiǎn)單，磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度高。FMG觀(guān)測(cè)的原始數(shù)據(jù)是偏振信號(hào)，需要將原始數(shù)據(jù)校正、定標(biāo)、反演后才能獲得矢量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。
鄧元勇表示，ASO-S衛(wèi)星成功發(fā)射后，F(xiàn)MG獲得的矢量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)可以幫助我們深入理解耀斑和日冕物質(zhì)拋射過(guò)程中的磁能傳輸、積累和釋放問(wèn)題，并為空間天氣事件預(yù)報(bào)提供觀(guān)測(cè)基礎(chǔ)。
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