太陽磁場的秘密科普知識
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我國第一顆綜合性太陽探測衛(wèi)星——先進天基太陽天文臺（ASO-S），即將進入正樣研制階段。目前，衛(wèi)星的工程樣機研制已經接近完成，有望于2022年發(fā)射升空。ASO-S主要科學目標為研究“一磁兩暴”，即太陽磁場以及兩類最劇烈的太陽爆發(fā)現象——耀斑和日冕物質拋射。屆時，ASO-S將詳細記錄第二十五個太陽活動周的“太陽風暴”，并及時預報太陽爆發(fā)對地球的可能影響。
“ASO-S將搭載3臺不同功能的太陽探測望遠鏡，一個是全日面矢量磁像（FMG），專門觀測太陽磁場；一個是硬X射線成像儀，專門觀測太陽耀斑；一個是萊曼阿爾法太陽望遠鏡，專門觀測日冕物質拋射。”中國科學院國家天文臺FMG載荷團隊相關負責人表示，作為ASO-S的一個重要組成部分，FMG的測量目標將是太陽物理學中的“第一觀測量”——磁場。
一、令人著迷的太陽磁場
1908年，美國太陽物理學家海爾首次觀測到太陽磁場。隨著太陽磁場的發(fā)現，也開啟了現代太陽物理學。從此，人類開始密集地探索太陽上各種現象背后的物理本質。一些探索還極大地推動了物理學基礎理論的發(fā)展。
太陽磁場中儲存著巨大的能量。當磁場演化到一定階段后，太陽就像是被觸怒了一樣，突然將這些能量一股腦地傾瀉出來。太陽上大體存在兩類這種大規(guī)模的爆發(fā)性磁活動現象：耀斑和日冕物質拋射。
FMG載荷團隊研究員蘇江濤表示，太陽極其復雜的磁場也引發(fā)了許多令人著迷的顯著特征，比如太陽黑子等。“通過望遠鏡，天文學家可以觀測到簡單的偶極活動區(qū)在日面上面積不斷變大的演化過程。通過磁流體力學（MHD）模擬，能夠看到與活動區(qū)相關的磁力線從太陽內部浮現出來，不斷向上膨脹，穿過光球層、色球層、過渡區(qū)和日冕。”
太陽活動區(qū)以外的區(qū)域被稱為寧靜區(qū)。隨著望遠鏡空間分辨率、時間分辨率的提高，天文學家發(fā)現太陽上的寧靜區(qū)其實并不寧靜。有許多小尺度活動現象都與寧靜區(qū)的磁場變化有關，比如在光球層可以看到米粒組織的對流運動，在色球層可以看到針狀體的運動和演化等等。
“正是太陽的磁場及其活動導致了黑子周期、太陽爆發(fā)以及日冕加熱。因此，測量太陽磁場是太陽物理學者最重要的使命之一，也是必須完成的任務。”蘇江濤表示。
二、觀測從地基到太空
雖然人類對太陽的觀測有著悠長的歷史，但對它的真正深入理解則始于上個世紀初。
一個多世紀以來，海爾所開創(chuàng)的利用塞曼效應測量光球磁場的方法一直被人們所沿用。今天我們已經能夠對全日面的光球矢量磁場進行較高精度的測量。在中國，艾國祥院士創(chuàng)建的國家天文臺懷柔太陽觀測基地對光球磁場測量也作出了重要的貢獻。這些磁場測量大大促進了我們對太陽爆發(fā)機制的理解。
直到1990年，歐洲、美國、日本陸續(xù)發(fā)射了可用于觀測太陽磁場的空間衛(wèi)星，人類對于太陽的觀測開始進入到空間觀測時代。FMG載荷團隊研究員鄧元勇表示，“相較于地基觀測，空間觀測能夠連續(xù)、穩(wěn)定地獲得數據”。
1995年，美國搭載了測量太陽速度場和磁場觀測儀器的SOHO衛(wèi)星發(fā)射入軌，人類擁有了真正意義上的首個空間太陽磁場觀測設備；2006年，我國懷柔太陽觀測基地的全日面矢量磁場望遠鏡，觀測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，人類首次用50厘米光學望遠鏡進行空間太陽光學和磁場觀測；2010年，空間矢量磁場觀測的主角變成美國的SDO衛(wèi)星；到2022年，這一主角將是我國的ASO-S衛(wèi)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)余天文愛好者施瓦布在經過長期觀測后，發(fā)現太陽黑子數存在周期性的變化。從太陽活動峰年到谷年再到峰年，大約是11年。而在總結了以前的觀測資料后，科學家把1755-1766年定義為第一個太陽活動周。2021—2022年正處于第25個太陽活動周期的開始階段，太陽黑子將越來越多，太陽磁場也會越來越強，太陽的爆發(fā)會增加，預期在2025年前后達到峰值。
與國際上之前的70多顆太陽探測衛(wèi)星相比，ASO-S衛(wèi)星最大的特點是要實現“一磁兩暴”的科學目標，即在一個衛(wèi)星平臺上同時觀測太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質拋射，研究它們三者之間的關系。
“ASO-S衛(wèi)星2022年發(fā)射應該是一個非常好的時機，能夠觀測到一個較為完整的太陽周期。”鄧元勇表示，作為觀測太陽“第一觀測量”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，但具有相對更好的磁場測量精度，將用于全日面太陽矢量磁場的高時間分辨率、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(wèi)星的Stokes參數儀，具有更大的視場、更高的觀測效率和時間分辨率；相較于SDO衛(wèi)星和SOHO衛(wèi)星的磁像儀，觀測模式簡單，磁場測量靈敏度高。FMG觀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數據。
鄧元勇表示，ASO-S衛(wèi)星成功發(fā)射后，FMG獲得的矢量磁場數據可以幫助我們深入理解耀斑和日冕物質拋射過程中的磁能傳輸、積累和釋放問題，并為空間天氣事件預報提供觀測基礎。
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