太阳抵近探测：穿越火海的科学之旅

太阳抵近探测计划飞船发射后经地球—木星借力变轨、入轨过程以及最终的科学轨道示意图。作者供图

太阳爆发对地球周围环境可能造成的影响示意图。作者供图

太阳活动正在进入有记录以来的第25个极大期——科学家们警告，一场具有1859年卡林顿事件规模的超级太阳风暴正在酝酿。太阳活动的频繁与剧烈程度，会不同程度地扰动人类的生存环境，带来一系列连锁反应，引发地球及周边环境(即空间天气)的快速变化，导致地磁暴、电离层扰动等现象，对卫星通信、导航、电力系统等现代技术系统造成严重影响。但，不用紧张!科学家们正在加紧对太阳的研究，试图回答诸如太阳爆发的物理机制、日冕加热的奥秘以及太阳风加速的动力学原理等复杂问题，从而解开困扰太阳物理甚至恒星物理学家近百年的未解之谜。

夸父逐日，正从神话变成现实

研究太阳和太阳的活动、探索和理解太阳的奥秘，是人类自远古以来的不懈追求。从地球上观测和研究太阳，不可避免地会受到地球大气的影响。为避开地球大气对太阳研究的重大影响，人类开始尝试在太空中进行观测。20世纪下半叶以来，太阳物理领域许多开拓性的重大成就都与空间观测密不可分。1960年3月11日，美国发射了人类历史上第一颗旨在观测和研究太阳的人造卫星。截至目前，全球共发射了超过70颗人造卫(行)星，其中中国在轨运行卫星4颗，它们是“风云二号”(FY-2)、“风云三号E”(FY-3E)、“羲和一号”(CHASE)、“夸父一号”(ASO-S)。

“羲和一号”和“夸父一号”实现了我国天基太阳探测卫星的跨越式突破，开启了综合性太阳探测的新时代，并已向全球共享部分观测数据。为研究太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射等现象提供了前所未有的观测能力。使科学家们能够更深入地了解太阳活动的形成、演化、相互作用和可能存在的因果关联。

上述太阳探测卫星大部分在环绕地球的轨道，或在地球的绕日轨道附近运行，只能对太阳进行远距离观测，无法对日冕磁场及其精细结构进行深度探测。

2018年8月12日，美国国家航空航天局成功发射了帕克太阳探测器(Parker Solar Probe, PSP)，其目标轨道最接近太阳的位置，距离太阳中心为10个太阳半径左右，这标志着人类历史上首次尝试进入并穿越太阳最外层大气——日冕，并近距离探测太阳(注：太阳与地球的平均距离为1.5亿公里，约合216个太阳半径)。帕克太阳探测器旨在解答关于太阳风加速机制、日冕加热原因等关键科学问题，这次发射也成为首个深入研究太阳最外层大气的探测任务。2020年2月10日，由欧洲空间局和美国国家航空航天局联合研制的太阳轨道飞行器(Solar Orbiter,SolO)发射成功。太阳轨道飞行器携带先进的仪器，旨在捕捉太阳的详细图像并提供关键数据，这些数据对于全球科学家来说至关重要，有助于深入理解太阳活动，并预测灾害性空间天气等重要事件。与帕克太阳探测器相比，太阳轨道飞行器的任务更加丰富，它可以探测太阳大气中的等离子体，磁场、高能粒子和尘埃，了解日冕结构等。

大胆的梦想，太阳抵近探测计划

中国古代有不少关于太阳的神话传说。例如，《山海经》中记载，“夸父与日逐走，入日；渴，欲得饮，饮于河、渭；河、渭不足，北饮大泽。未至，道渴而死。弃其杖，化为邓林”。《山海经》中还写道：“汤谷上有扶桑，十日所浴，在黑齿北。居水中，有大木，九日居下枝，一日居上枝。”三星堆遗址中发掘的青铜太阳树，生动再现了这一古老神话。

如今，中国科学家提出了一个更大胆的太阳空间探测项目——太阳抵近探测计划(Solar Close Observations and Proximity Experiments，SCOPE)。这是未来的一项太阳深空探测任务，它以太阳爆发的Lin-Forbes模型为指导，通过突破一系列极限技术，将探测器送至近日点5个太阳半径(距离太阳中心最近的位置)、远日点123个太阳半径(距离太阳中心最远的位置)、倾角64.9°的轨道上，进入深空探测的“无人区”，在一个全新的位置上实地考察太阳系中人类从未涉足的区域，以解决太阳物理界长期存在的科学难题。

根据中国科学院云南天文台的研究，太阳抵近探测计划将精心设计科学轨道，通过地球和木星的引力辅助，将探测器轨道倾角调整至约65°，并设定近日点在5个太阳半径处，远日点在123个太阳半径处，以优化对太阳的超近距离探测与观测。

太阳抵近探测计划旨在解决太阳物理界长期存在的两个科学难题：太阳爆发机理难题和日冕加热与太阳风加速机理难题。这一计划未来将实现三方面的科学目标：

首先，破解太阳爆发机理难题。通过近距离观测或原位探测太阳爆发磁结构，获取磁重联电流片几何尺度，探测电流片、CME和激波的精细结构，以及高能粒子，全面证实由我国科学家建立的Lin-Forbes模型所刻画的太阳爆发的全物理过程。

其次，破解日冕加热和太阳风加速之谜。通过近距离观测和原位探测，提供日冕加热具体机制的观测实证；针对太阳风源区的湍流性质及其与离子电荷态冻结过程的关系，通过探测源区湍流结构和跟踪重离子电荷态冻结过程，揭示两种太阳风的起源与加速机制；完整描述日冕加热和太阳风加速的物理图像。

再次，获取太阳的关键物理信息。在黄道面之外，对不同纬度的日冕矢量磁场直接进行原位探测，解决普适的常规测量日冕磁场的方法和技术缺乏的问题，对磁场和等离子体结构进行超近距离遥感观测。根据尘埃与飞船碰撞产生的电脉冲，研究近日环境尘埃分布，确定太阳系尘埃盘内边界。

脚踏实地，多系统推进梦想实现

太阳抵近探测计划将首先攻克高温与强辐射防护、长距离运载技术、远距离轨道精确控制以及先进载荷应用等技术难关，通过在距太阳极近的位置进行探测，期望能够揭示太阳爆发的理论机理，确认日冕加热机制，以及太阳风的起源和加速机制。

其中，热防护系统集成了多项先进技术，包括采用耐高温热盾与稀土钽酸盐抗辐射涂料以增强防护能力，配备半导体热电温差供电系统以确保能源供应，以及引入先进自适应温控系统以维持适宜的工作环境。耐高温热盾采用碳/碳复合材料，表面覆盖有3层高反射热防护涂料，以降低迎日面吸收率和热发射率比值，提高陶瓷涂层韧性。

自主管理系统作为探测器数据管理与控制的中枢，集成了遥测遥控信息处理、数据存储与下传、时基管理与广播、指令脉冲发送、主备份模块控制切换及地面测试等多重功能，确保探测器在与地球控制中心通讯联络中断的情况下持续高效稳定运行。

星地通信系统将采用X波段测控数传一体化体制，或Ka波段高速下行加上X波段上行测控数传一体化方案，配置高增益天线，实现信息高速率传输。当探测器在科学轨道上运行时，如果其通信窗口平均每天可达4小时，数据传输速率可稳定保持在6Mb/s。

太阳抵近探测计划将突破人类探测太阳的极限。通过捕捉高分辨率全景图像，实现对太阳爆发核心磁场结构的原位探测和近距离观测与跟踪，揭示日冕磁场包括极区磁场以及不同太阳风源区的复杂细节，为科学家们提供理解太阳现象的新视角。这是一个勇闯深空“无人区”的计划，它将完整揭示一颗恒星磁活动的奥秘，推动破解太阳物理领域百年难题。

太阳抵近探测计划是我国构建独立自主的、先进的太阳立体探测体系不可或缺的一环，与太阳极轨天文台(SPO)形成不同距离上对太阳活动与太阳爆发在大纬度范围内的监测，对CME进行传播全过程的跟踪和溯源；与“羲和二号”(LAVSO)观测平台构成多波段、多角度的立体观测体系；与以2.5米地面太阳望远镜为主的地面设备协同，实现对太阳风从形成源区到日冕加速区的连续观测。

未来，太阳抵近探测计划与国内其他太阳物理空间探测任务相互配合，共同获取太阳活动和爆发的三维信息，实现对光球到日冕的连续观测，为解开太阳奥秘提供更多线索。

(作者：柏正尧 林 隽 程 鑫，分别系云南大学信息学院教授;中国科学院云南天文台研究员;南京大学天文与空间科学学院副院长、教授)