我们要到太阳上去！测磁场！

1989年3月13日，一个普通的午夜，加拿大魁北克省的居民突然在睡梦中被寒意惊醒。在短短92秒内，全省电网发生灾难性崩溃，在随之而来的9小时停电中，超600万居民陷入了黑暗和无供暖的困境。事后调查将罪魁祸首指向1.5亿公里外太阳的一次“猛烈喷嚏”：

一次强烈的日冕物质抛射所引发的地磁暴。

事发当日，加拿大地表层面的地磁强度在4分钟内的增强过程（图片来源：Metatech）

太阳的日冕物质抛射如同宇宙中的“台风”，由太阳磁场活动所驱动。三十多年过去了，尽管地球后来也曾遭遇强度相当的太阳爆发，但并未再导致同等规模的停电事件。这背后既有电力系统加固的功劳，也是因为人类对太阳的“天气预报”能力已今非昔比。而精准预报的核心钥匙，正是对太阳磁场的精确测量。

无论是出于对星辰大海的好奇，还是为了守护现代生活的安宁，我们都有必要去揭开太阳磁场的神秘面纱。不过，磁场看不见、摸不着，科学家如何能够捕捉太阳磁场的动向？

太阳磁场的可视化效果图（图片来源：NASA）

太阳磁场测量：“远观”的智慧与局限

仰望星空，望远镜是天文学家的“千里眼”。在太阳磁场探测领域，望远镜同样功勋卓著。望远镜测量太阳磁场的核心原理是塞曼效应——原子在外部磁场作用下，其发射或吸收的光谱线会发生分裂。太阳望远镜就是抓住太阳大气中铁原子的这种分裂现象，配合精密的光谱仪和偏振分析仪，来推算太阳磁场的强度和方向。

塞曼效应：原子在外部磁场作用下，其发射或吸收的光谱线会发生分裂

我国是最早开展太阳望远镜研发的国家之一。1968年，中国科学院南京天文光学技术研究所（以下简称“南京天光所”）苏定强院士团队成功研制了中国第一个李奥（Lyot）双折射滤光器。此后，我国所有基于该核心部件的太阳观测仪器均实现了自主制造。例如，怀柔35cm太阳磁场望远镜能够精细测量太阳表面（光球）和低层大气（色球）的矢量磁场，为研究太阳磁场的起源和演化积累了海量的宝贵数据[1]。

进入21世纪，我国的太阳观测能力持续提升。位于云南抚仙湖的1米新真空太阳望远镜是我国目前综合性能最强的地面光学太阳望远镜之一，其观测数据为理解太阳活动提供了关键支撑。南京大学和南京天光所合作研制的2.5米大视场高分辨率太阳望远镜（WeHoST）预计将于2026年底建成，有望成为我国新一代观天“利器”，将极大地推动太阳物理研究并提升全球空间天气灾害预警能力。

除了这些强大的地面“巨眼”，我国还迈向了空间探测的新纪元。已经成功发射的“夸父一号”先进天基太阳天文台，同时搭载了全日面矢量磁像仪、莱曼阿尔法太阳望远镜和硬X射线成像仪，旨在深入研究“一磁两暴”（即太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射）这一核心科学问题。

从左往右依次为怀柔太阳望远镜、1米新真空太阳望远镜、建造中的“2.5米大视场高分辨率太阳望远镜”本体。（图片来源：中国科学院国家天文台、中国科学院云南天文台抚仙湖太阳观测站、南京大学官网）

那么，探测太阳系内的磁场，光靠强大的望远镜就够了吗？答案是：远远不够。太阳望远镜属于“隔空观察”的遥感手段，如同通过分析随风飘来的花香，以此推测远方花园中花卉的种类构成——虽能勾勒大概，但难查细节。这种探测方法存在多种局限性：精度不够高，容易受太空环境及地球大气的干扰；太阳的光热效应会导致望远镜内部产生气流，破坏成像清晰度等。更麻烦的是，对于像火星、金星这种自身不发光的行星，遥感手段几乎完全失效。

所以，想要真正深入理解太阳系的空间环境，仅仅“远观”是远远不够的。我们必须派出探测器，亲临现场，进行“零距离”的磁场原位测量，才能解开更多谜题。

磁场原位测量：宇宙深处的“磁场侦探”

磁场原位测量，指直接把磁场测量仪送到目标地点，在真实环境中对磁场进行“现场直播”式的测量。其实，我们在地球上通过指南针、磁通门磁力计、量子磁力计等仪器探测磁场，都属于原位测量。但要将仪器送入太空、抵达目标天体，难度系数直线飙升——它们不仅需要能承受火箭发射的冲击，还需要在严酷的太空环境中保持稳定运行。

好在航天技术突飞猛进，人类的磁场探测器已经拜访过水星（NASA的“信使号”）、金星（欧空局的“金星快车”）、火星（中国的“天问一号”）、木星（NASA的“朱诺号”）等多个太阳系行星。它们传回的数据，帮助我们绘制了这些行星的磁场图像。

但要说到挑战之最，非太阳磁场原位测量莫属！派探测器去太阳附近，需要直面一个极端恶劣的高温、高辐射环境，简直像天方夜谭。然而，科学家和工程师们的想象和探索从未停止。2018年，NASA的“帕克”太阳探测器横空出世，勇闯日冕（距太阳表面约9个太阳半径），它传回的磁场数据刷新了我们对太阳的认识。中国也在积极推进太阳抵近探测计划（SCOPE）[2]，目标直指距太阳中心仅5个太阳半径的禁区，誓要破解日冕加热等世纪谜题。

从左往右依次为“天问一号”、“天问一号”火星车“祝融号”、“帕克”太阳探测器。（图片来源：中国科学技术大学期刊中心，NASA）

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太阳物理的三大未解之谜

日冕加热之谜：太阳表面仅约6千摄氏度，但太阳最外层大气（日冕）却高达百万摄氏度。太阳的热源是太阳中心的核聚变，那么热量如何从6千度的“低温”太阳表面传递到1百万度的高温日冕？

太阳活动周期之谜：太阳黑子等活动现象表现出约11年的周期性变化，但其磁场的起源和周期性的驱动机制尚不明确。

太阳爆发预测难题：耀斑、日冕物质抛射犹如宇宙“台风”，难以准确预测。

这些谜题的核心钥匙，正是磁场。破解它们需要更强大的磁场原位测量技术。

上面这些“勇敢”的探测器，它们的原位磁测量载荷采用的都是磁通门磁力计，工作原理基于法拉第电磁感应定律。简单理解：它有一个容易磁化的磁芯，给它通上交变的激励电流，当外界有磁场时，磁芯的磁化状态发生变化，这种变化被感应线圈“捕捉”到，转化成电信号，从而测出磁场。

1963年，磁通门磁力计搭载于“水手二号”探测器，用于研究金星磁场，目前已广泛应用于行星及太阳磁场的原位探测。它的优势是技术成熟、空间适应性强，能够测量微弱的直流或低频磁场，精度可达到0.1纳特斯拉（nT）量级，仅为地球磁场强度的几万分之一。

然而随着科学探索不断深入，科学家对磁场测量技术要求越来越高。尤其在太阳物理领域，日冕磁场的变化既微弱又转瞬即逝。想要捕捉太阳磁场的变化细节，理解太阳爆发（如耀斑、日冕物质抛射）的机制，就需要精度更高，测的更快（更高采样频率）的磁力计。磁通门磁力计在这些方面逐渐显得“力不从心”。我们急需更强大的下一代磁场原位测量技术！

左：“天问一号”磁测量载荷：磁通门磁力计；右：“天问一号”磁通门磁力计传感器。（图片来源：中国科学技术大学期刊中心）

光学磁力计——下一代“磁场神探”

近年来，光学磁力计异军突起，凭借其超高灵敏度、高空间分辨率、高频率等优势，成为磁场原位测量的新希望，在深空磁场探测领域潜力巨大。代表性的有原子磁力计、金刚石NV色心磁力计、光腔磁力计等。

原子磁力计

原子磁力计种类较多，主要包括无自旋交换弛豫（Spin-exchange relaxation-free, SERF）原子磁力计、相干布居囚禁（Coherent Population Trapping, CPT）原子磁力计、光泵磁力计等。

SERF磁力计：利用碱金属原子自旋在近零磁场下的无自旋交换弛豫效应，通过激光探测其拉莫尔进动来测量磁场，是目前灵敏度最高的磁力计，可达亚fT/Hz1/2。（fT，飞特斯拉，1 fT=10-15 T）

在科研进展方面，中国科学技术大学彭新华教授、江敏教授团队成功制备出具有协同效应的原子核自旋，磁场测量灵敏度达到4 fT/Hz1/2[3]。北京航空航天大学大科学装置研究院房建成院士团队开发的SERF原子磁力计装置已达到0.089 fT/Hz1/2的灵敏度。

在商业应用方面，美国已成功开发出测量范围为5 nT、灵敏度为15 fT/Hz1/2的产品，我国的国器传感技术有限公司（北京航空航天大学团队孵化企业）也成功研制了探头体积为3.8cm3、灵敏度为10 fT/Hz1/2的原子磁力计。不过，该方案也有个“硬伤”，要求在近零磁场环境下工作，因此需要磁屏蔽或主动磁补偿，目前主要用于地面极弱磁测量，深空探测应用尚在验证阶段。

CPT磁力计：利用相干布居囚禁效应和原子精细结构能级在磁场中的塞曼分裂现象进行磁场测量。1992年，德国马克斯·普朗克研究所首次提出了CPT磁力仪的概念，并从理论上预测其灵敏度可高达0.1fT/Hz1/2。自此，全球多个国家纷纷投身于CPT磁力计的研究热潮中。这一技术已经被用于空间磁测量载荷，比如我国的“澳科一号”、“张衡一号”、SATech-01卫星等。但它通常只能测量标量磁场，常与磁通门磁力计配合使用，成为校正后者“零漂”的黄金搭档。

SATech-01卫星磁测量载荷，包括AMR三轴磁阻磁力仪及CPT原子磁力仪。（图片来源：国家空间科学中心太阳活动与空间天气全国重点实验室）

金刚石NV色心磁力计

NV色心是金刚石晶格中一个氮原子取代碳原子并邻近一个空位形成的发光缺陷。金刚石中的氮空位缺陷如同一个微小的“量子陀螺”，其自旋状态会随磁场变化而改变（原理仍然是塞曼效应）。这种磁力计空间分辨率可达纳米级，甚至能对单个细胞内的磁场进行成像，极端环境适应性强，灵敏度可达pT/Hz1/2量级[4] (pT，皮特斯拉，1 pT=10-12 T)，目前主要用于对磁性材料、集成电路、生物组织等进行高空间分辨的磁场成像和定量测量。不过，该技术在深空磁场原位探测方面仍处于验证阶段。2024年，加拿大SBQuantum公司宣布与欧洲航天局（ESA）合作，开发能够从太空提供准确读数的金刚石NV色心磁力计，推动其迈向太空应用。

光腔磁力计

除了以上两种量子磁力计外，光腔磁力计近年来也发展迅速。它的核心创新在于将光学腔的高精密测量特性和磁性物质巧妙结合。光学腔就像一个精密调谐的共鸣箱，光线在其中来回反射、叠加，极大地增强了光与物质的相互作用。当外界磁场变化引起磁敏感材料产生微小形变（磁致伸缩材料）或改变光学特性（磁光材料）时，这种变化会被光学腔极大地放大，从而实现对磁场的高精度测量。

目前，光学腔的技术路径多样，主要包括法布里-珀罗腔、回音壁模式微腔（微盘、微环）以及光纤腔等。光腔磁力计近年来性能大幅提升，清华大学刘永椿团队通过优化磁致伸缩材料和机械结构设计，实现了620 fT/Hz1/2的灵敏度[5]。中国科学院物理研究所李贝贝团队则采用非晶态FeGaB合金作为磁致伸缩材料，结合激光频率失谐优化以抑制技术噪声，实现了灵敏度为1.68 pT/Hz1/2且具备量产潜力的微腔磁力计[6]。

除了磁致伸缩材料，磁光材料也同样大有可为。磁光材料是一类在磁场作用下能改变光传输特性的功能材料，其核心是磁光效应，如法拉第效应和克尔效应。磁场的变化会导致材料光学性质的改变，从而实现精密测量。

基于磁光材料与光学腔的耦合，我所在研究团队建立了高精度的磁场测量系统。在前期工作中，我们已经在实验室环境下检测出地磁场的微小变化。团队进一步创新，将液晶材料同时插入光学腔中，利用液晶的线二色性构造了非厄米系统，实现了灵敏度的增强[7]。以上工作虽然处于实验室验证和科学探索阶段，但为基于磁光效应的光腔磁力计研发铺平了道路。然而，从实验室验证迈向成熟仪器的研发，还面临许多新的挑战，任重而道远。

左：基于法布里-玻罗腔的磁场测量装置；右：基于法布里-玻罗腔的非厄米磁力计方案图。

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光学小百科

什么是“法拉第效应”？

当一束平面偏振光通过置于磁场中的磁光介质时，平面偏振光的偏振面就会随着平行于光线方向的磁场发生旋转。这个现象是由于磁光材料施加磁场后对左右旋圆偏振光的折射率产生差异而导致的。

磁光介质插入光学腔中会怎么样？

光学腔，基于多光束干涉，能将光线“困在”其中，使其来回反射并产生共振。共振频率与光学腔的腔长和介质折射率有关。将磁光介质插入光学腔中，由于磁光材料对左右旋圆偏振光的折射率不同，导致左右旋圆偏振光在光学腔中的光程不同，最终体现为光学共振频率不同，通过测量左右旋圆偏振光的共振频率差可以计算出磁场。

光学磁力计的巨大优势和潜力使其成为各国竞相研究的目标。尽管光学磁力计在实验室表现出色，但要从实验室走向深空，还需要克服诸多挑战。空间环境适应性是首要难题——太空中极端的温度、强辐射环境都对精密光学设备构成很大威胁。工程化与可靠性是另一大挑战。实验室装置可以精心呵护，但太空探测器上的设备必须能够长期自主稳定运行，对光学磁力计的准确性和稳定性提出了高要求。

不同类型的光学磁力计各有千秋，没有一种磁力计能在所有场景下都表现最佳。因此未来的太空任务可能会携带多种磁力计，让我们拭目以待。

结语：一场对宇宙无形之力的伟大远征

从指南针的朴素指引到“帕克”探测器的壮烈远征，人类认知磁场的历史，是一部不断靠近观测对象、不断提升感知精度的伟大史诗。磁场原位测量，作为我们伸向宇宙的“触角”，已经描绘了行星的磁场面貌，并正深入太阳的禁地。

可以期待，在不远的将来，光学磁力计将搭乘更先进的探测器，飞向太阳的灼热怀抱，潜入行星的狂暴磁层，甚至游弋于星际空间。届时，它们将以前所未有的精度聆听宇宙磁场的壮丽交响，为我们揭示宇宙最深层的奥秘。这场对宇宙无形之力的零距离探秘，将是人类好奇心和智慧最激动人心的远征之一。

参考资料：

[1] 怀柔太阳观测站简介．中国科学院国家天文台．2017-10-10
[2] 林隽，等. 太阳抵近探测计划——观测位置的新突破［J］.上海航天（中英文），2024，41（5）1-10.
[3] Xu, MX. et al. Phys. Rev. Lett. 133, 133202 (2024).
[4] Wang, ZC. et al. Sci. Adv. 8, eabq8158 (2022).
[5] Xu, AN. et al. Phys. Rev. Lett. 133, 153601 (2024).
[6] Hu, ZG. et al. Light Sci Appl. 13, 279 (2024).
[7] Ruan, YP. et al. Nat. Photon. 19, 109–115 (2025).

来源：科学大院

编辑：测不准的小阳

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