太陽(yáng)磁場(chǎng)的秘密科普知識
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我國第一顆綜合性太陽(yáng)探測衛星——先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺（ASO-S），即將進(jìn)入正樣研制階段。目前，衛星的工程樣機研制已經(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)現象——耀斑和日冕物質(zhì)拋射。屆時(shí)，ASO-S將詳細記錄第二十五個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周的“太陽(yáng)風(fēng)暴”，并及時(shí)預報太陽(yáng)爆發(fā)對地球的可能影響。
“ASO-S將搭載3臺不同功能的太陽(yáng)探測望遠鏡，一個(gè)是全日面矢量磁像（FMG），專(zhuān)門(mén)觀(guān)測太陽(yáng)磁場(chǎng)；一個(gè)是硬X射線(xiàn)成像儀，專(zhuān)門(mén)觀(guān)測太陽(yáng)耀斑；一個(gè)是萊曼阿爾法太陽(yáng)望遠鏡，專(zhuān)門(mén)觀(guān)測日冕物質(zhì)拋射�！敝袊茖W(xué)院國家天文臺FMG載荷團隊相關(guān)負責人表示，作為ASO-S的一個(gè)重要組成部分，FMG的測量目標將是太陽(yáng)物理學(xué)中的“第一觀(guān)測量”——磁場(chǎng)。
一、令人著(zhù)迷的太陽(yáng)磁場(chǎng)
1908年，美國太陽(yáng)物理學(xué)家海爾首次觀(guān)測到太陽(yáng)磁場(chǎng)。隨著(zhù)太陽(yáng)磁場(chǎng)的發(fā)現，也開(kāi)啟了現代太陽(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)基礎理論的發(fā)展。
太陽(yáng)磁場(chǎng)中儲存著(zhù)巨大的能量。當磁場(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)這種大規模的爆發(fā)性磁活動(dòng)現象：耀斑和日冕物質(zhì)拋射。
FMG載荷團隊研究員蘇江濤表示，太陽(yáng)極其復雜的磁場(chǎng)也引發(fā)了許多令人著(zhù)迷的顯著(zhù)特征，比如太陽(yáng)黑子等�！巴ㄟ^(guò)望遠鏡，天文學(xué)家可以觀(guān)測到簡(jiǎn)單的偶極活動(dòng)區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)區相關(guān)的磁力線(xiàn)從太陽(yáng)內部浮現出來(lái)，不斷向上膨脹，穿過(guò)光球層、色球層、過(guò)渡區和日冕�！�
太陽(yáng)活動(dòng)區以外的區域被稱(chēng)為寧靜區。隨著(zhù)望遠鏡空間分辨率、時(shí)間分辨率的提高，天文學(xué)家發(fā)現太陽(yáng)上的寧靜區其實(shí)并不寧靜。有許多小尺度活動(dòng)現象都與寧靜區的磁場(chǎng)變化有關(guān)，比如在光球層可以看到米粒組織的對流運動(dòng)，在色球層可以看到針狀體的運動(dòng)和演化等等。
“正是太陽(yáng)的磁場(chǎng)及其活動(dòng)導致了黑子周期、太陽(yáng)爆發(fā)以及日冕加熱。因此，測量太陽(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)�！碧K江濤表示。
二、觀(guān)測從地基到太空
雖然人類(lèi)對太陽(yáng)的觀(guān)測有著(zhù)悠長(cháng)的歷史，但對它的真正深入理解則始于上個(gè)世紀初。
一個(gè)多世紀以來(lái)，海爾所開(kāi)創(chuàng )的利用塞曼效應測量光球磁場(chǎng)的方法一直被人們所沿用。今天我們已經(jīng)能夠對全日面的光球矢量磁場(chǎng)進(jìn)行較高精度的測量。在中國，艾國祥院士創(chuàng )建的國家天文臺懷柔太陽(yáng)觀(guān)測基地對光球磁場(chǎng)測量也作出了重要的貢獻。這些磁場(chǎng)測量大大促進(jìn)了我們對太陽(yáng)爆發(fā)機制的理解。
直到1990年，歐洲、美國、日本陸續發(fā)射了可用于觀(guān)測太陽(yáng)磁場(chǎng)的空間衛星，人類(lèi)對于太陽(yáng)的觀(guān)測開(kāi)始進(jìn)入到空間觀(guān)測時(shí)代。FMG載荷團隊研究員鄧元勇表示，“相較于地基觀(guān)測，空間觀(guān)測能夠連續、穩定地獲得數據”。
1995年，美國搭載了測量太陽(yáng)速度場(chǎng)和磁場(chǎng)觀(guān)測儀器的SOHO衛星發(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)測設備；2006年，我國懷柔太陽(yáng)觀(guān)測基地的全日面矢量磁場(chǎng)望遠鏡，觀(guān)測到了世界上第一張全日面矢量磁圖。同年，日出衛星發(fā)射成功，人類(lèi)首次用50厘米光學(xué)望遠鏡進(jìn)行空間太陽(yáng)光學(xué)和磁場(chǎng)觀(guān)測；2010年，空間矢量磁場(chǎng)觀(guān)測的主角變成美國的SDO衛星；到2022年，這一主角將是我國的ASO-S衛星。
三、全日面矢量磁像儀的重任
在19世紀40年代，德國的'藥劑師、業(yè)余天文愛(ài)好者施瓦布在經(jīng)過(guò)長(cháng)期觀(guān)測后，發(fā)現太陽(yáng)黑子數存在周期性的變化。從太陽(yáng)活動(dòng)峰年到谷年再到峰年，大約是11年。而在總結了以前的觀(guān)測資料后，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，太陽(yáng)的爆發(fā)會(huì )增加，預期在2025年前后達到峰值。
與國際上之前的70多顆太陽(yáng)探測衛星相比，ASO-S衛星最大的特點(diǎn)是要實(shí)現“一磁兩暴”的科學(xué)目標，即在一個(gè)衛星平臺上同時(shí)觀(guān)測太陽(yáng)磁場(chǎng)、太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射，研究它們三者之間的關(guān)系。
“ASO-S衛星2022年發(fā)射應該是一個(gè)非常好的時(shí)機，能夠觀(guān)測到一個(gè)較為完整的太陽(yáng)周期�！编囋卤硎�，作為觀(guān)測太陽(yáng)“第一觀(guān)測量”的儀器，ASO-S搭載的全日面矢量磁像儀，與SDO衛星上的日震和磁成像儀相仿，但具有相對更好的磁場(chǎng)測量精度，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量。
FMG基于雙折射濾光器，相較于日出衛星的Stokes參數儀，具有更大的視場(chǎng)、更高的觀(guān)測效率和時(shí)間分辨率；相較于SDO衛星和SOHO衛星的磁像儀，觀(guān)測模式簡(jiǎn)單，磁場(chǎng)測量靈敏度高。FMG觀(guān)測的原始數據是偏振信號，需要將原始數據校正、定標、反演后才能獲得矢量磁場(chǎng)數據。
鄧元勇表示，ASO-S衛星成功發(fā)射后，FMG獲得的矢量磁場(chǎng)數據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報提供觀(guān)測基礎。
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