太陽探索 艱難曲折

太陽是位于太陽系中心的一顆恒星。它是一個(gè)幾乎完美的炙熱等離子體球，其內(nèi)部對(duì)流運(yùn)動(dòng)以發(fā)電機(jī)發(fā)電過程產(chǎn)生磁場(chǎng)。太陽是迄今為止地球生命最重要的能量來源。太陽直徑約為地球的109倍，質(zhì)量約為地球的33萬倍，太陽質(zhì)量占太陽系總質(zhì)量的99.86%。太陽質(zhì)量中大約73%為氫，大約25%為氦，另有少量重元素，包括氧、碳、氖和鐵。

太陽是一顆G型主序星，這是由太陽的光譜類型確定的。太陽的正規(guī)分類是一顆黃矮星。大約46億年前，太陽由一個(gè)大分子云區(qū)域內(nèi)物質(zhì)的引力坍縮而形成。這些物質(zhì)中的大多數(shù)聚集在太陽中心，其余分布在一個(gè)繞中心運(yùn)行的圓盤中，這個(gè)圓盤變成了太陽系中除太陽之外的天體。中心物質(zhì)變得溫度很高而密集，最終在核心引起核聚變。所有恒星被認(rèn)為都是這樣形成的。

太陽差不多已進(jìn)入中年，超過40億年來它沒有怎么改變過，而且也將在未來50億年中保持相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)太陽核心的氫聚變減少到不足以維持流體靜力學(xué)平衡時(shí)，太陽核心的密度和溫度將顯著增加，太陽外層將膨脹，變成紅矮星。計(jì)算表明，太陽最終會(huì)變得足夠大，以至于會(huì)吞沒現(xiàn)在的水星和金星軌道，并且讓地球變得不可居住。

太陽對(duì)地球的巨大影響自古以來就被認(rèn)識(shí)到，有些文化把太陽視為神靈。地球的自轉(zhuǎn)和圍繞太陽的公轉(zhuǎn)是太陽歷的基礎(chǔ)，而太陽歷（公歷）是今天使用最廣的日歷。

太陽探索歷程

人類對(duì)太陽的最基本理解是，太陽是天空中的一個(gè)發(fā)光圓盤，它在地平線上的出現(xiàn)造成白天，它的消失則造成夜晚。在許多古文化例如古埃及文化、南美洲印加文化和墨西哥的阿茲特克文化中，太陽被視為神靈。在今天的印度教中，太陽依然被視為神靈。許多古代紀(jì)念碑的建立都考慮了太陽現(xiàn)象。例如，用巨石陣準(zhǔn)確標(biāo)記夏至或冬至。

古埃及人刻畫的神靈“拉”，在一些小神伴隨下坐著太陽船在天空中馳過。對(duì)古希臘人來說，“拉”就是赫利俄斯，他坐的是火馬拉的車。在羅馬帝國晚期，太陽誕生日是冬至日之后不久的一個(gè)節(jié)日，它有可能是圣誕節(jié)的前身。從地球上看去，相對(duì)于天空中那些靜止的星，太陽看上去每年沿著黃道面上的黃道轉(zhuǎn)一圈，因此古希臘天文學(xué)家把太陽歸類為7顆行星之一。用7顆行星的名字來命名一周當(dāng)中的7天，可追溯到羅馬帝國時(shí)期。

到了公元前1000年初，巴比倫天文學(xué)家觀察到太陽沿黃道的運(yùn)動(dòng)并不規(guī)則，但他們并不知道原因?，F(xiàn)在已經(jīng)清楚，這是由于地球在一個(gè)橢圓軌道中環(huán)繞太陽，在近日點(diǎn)地球運(yùn)行較快，而在遠(yuǎn)日點(diǎn)地球運(yùn)動(dòng)較慢。

最先對(duì)太陽給出科學(xué)或哲學(xué)解釋的人之一，是古希臘哲學(xué)家阿那克薩哥拉。他認(rèn)為，太陽并不是赫利俄斯的馬車，而是一顆燃燒的巨大金屬球，它比伯羅奔尼撒半島還大，月球則會(huì)反射太陽的光芒。由于傳播這一“邪說”，他被當(dāng)局關(guān)押和判處死刑。幸虧古雅典政治家伯利克里出面干預(yù)，他后來才被釋放。公元前3世紀(jì)，古希臘天文學(xué)家埃拉托色尼估計(jì)了地球與太陽之間距離，換算為今天所說的0.99～1.02天文單位，可以說已經(jīng)很準(zhǔn)確，很了不起。

行星繞著太陽轉(zhuǎn)的理論，最先是由古希臘人阿利斯塔克在公元前3世紀(jì)提出的。16世紀(jì)，哥白尼發(fā)展出了日心說的詳盡數(shù)學(xué)模型。漢朝時(shí)期，中國天文學(xué)家觀測(cè)并記錄了太陽黑子。12世紀(jì)，西方人對(duì)太陽黑子進(jìn)行了描述。17世紀(jì)初，望遠(yuǎn)鏡發(fā)明，伽利略等科學(xué)家對(duì)太陽黑子進(jìn)行了詳細(xì)觀測(cè)。伽利略認(rèn)為，太陽黑子出現(xiàn)在太陽表面，而不是地球和太陽之間的物體。

古阿拉伯人在對(duì)太陽的科學(xué)觀測(cè)方面也頗有建樹。從對(duì)1032年一次金星凌日（金星從太陽正面經(jīng)過）事件的觀測(cè)中，波斯天文學(xué)家阿維森納斷言金星比太陽距離地球更近。1672年，意大利天文學(xué)家卡西尼等人確定了地球與火星之間的距離，從而準(zhǔn)確算出了地球與太陽之間的距離。

1666年，英國科學(xué)巨匠牛頓用棱鏡觀察太陽光，發(fā)現(xiàn)太陽光是由多種顏色的光組成的。1800年，英國天文學(xué)家赫歇爾發(fā)現(xiàn)了太陽光譜中的紅外輻射。19世紀(jì)，對(duì)太陽的光譜學(xué)研究方興未艾。在現(xiàn)代科學(xué)時(shí)期之初，太陽能量的來源是一大奧秘。英國科學(xué)家開爾文提出，太陽是一個(gè)逐漸冷卻的液態(tài)天體，向外輻射內(nèi)部?jī)?chǔ)存的熱量。開爾文和德國科學(xué)家亥姆霍茲接著提出了一種引力壓縮機(jī)制，解釋太陽的能量輸出，但由此估計(jì)的太陽年齡僅為2000萬年，這與當(dāng)時(shí)一些地質(zhì)學(xué)發(fā)現(xiàn)所暗示的太陽年齡——至少3億年相比過小。1890年，英國科學(xué)家洛克伊爾在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)了氦，并且提出了有關(guān)太陽形成和演化的隕星假說。

1904年，英國科學(xué)家羅斯福德提出太陽的能量輸出可能由一種內(nèi)部熱量源維持，而放射性衰減正是這個(gè)源頭。然而，真正為確立太陽能量輸出源頭提供重要線索的人是科學(xué)巨擘愛因斯坦。英國的愛丁頓爵士1920年提出，太陽核心的壓力和溫度可能會(huì)產(chǎn)生一種核聚變反應(yīng)，它把氫（質(zhì)子）聚變成氦核，通過質(zhì)量改變產(chǎn)生能量。1925年，科學(xué)家運(yùn)用離子化理論證實(shí)了太陽上有大量氫。20世紀(jì)30年代，聚變理論框架由德國科學(xué)家貝特與一位印度科學(xué)家提出。貝特算出了驅(qū)動(dòng)太陽的兩大主要產(chǎn)能核反應(yīng)細(xì)節(jié)。1957年，多位美國科學(xué)家證明，宇宙中大多數(shù)元素是由恒星內(nèi)部的核反應(yīng)合成的，其中一些恒星與太陽類似。

太陽探測(cè)任務(wù)

首批設(shè)計(jì)用于觀測(cè)太陽的人造衛(wèi)星，是美國宇航局在1959～1968年之間發(fā)射的“先鋒”5、6、7、8、9號(hào)。它們?cè)诘厍蜍壍乐协h(huán)繞太陽，對(duì)太陽風(fēng)和太陽磁場(chǎng)進(jìn)行了首批詳細(xì)測(cè)量。“先鋒9號(hào)”的運(yùn)作期尤其長(zhǎng)，直到1983年5月它依然在傳輸數(shù)據(jù)。endprint

20世紀(jì)70年代，兩艘“赫利俄斯”（太陽神）飛行器和“天空實(shí)驗(yàn)室”空間站上的“阿波羅號(hào)望遠(yuǎn)鏡”，為科學(xué)家提供了有關(guān)太陽風(fēng)和日冕的新數(shù)據(jù)?！昂绽硭埂?、2號(hào)是美國和德國合作項(xiàng)目，飛行器在水星軌道中的近日點(diǎn)觀測(cè)太陽風(fēng)?！疤炜諏?shí)驗(yàn)室”由美國宇航局在1973年發(fā)射，其上包括一個(gè)太陽觀測(cè)艙——“阿波羅號(hào)望遠(yuǎn)鏡”，由住在這一空間站上的宇航員操控?！疤炜諏?shí)驗(yàn)室”對(duì)太陽過渡層和來自日冕的紫外發(fā)射進(jìn)行了持續(xù)觀測(cè)，取得了一系列發(fā)現(xiàn)，其中包括日冕物質(zhì)拋射和冕洞?，F(xiàn)在知道，冕洞與太陽風(fēng)密切相關(guān)。

1980年，美國宇航局發(fā)射“太陽峰年”衛(wèi)星。這艘飛行器的設(shè)計(jì)目的，是在一次太陽活動(dòng)和太陽亮度高峰期間觀測(cè)來自于太陽耀斑的伽馬射線、X射線和紫外輻射。然而，就在發(fā)射前幾個(gè)月，一個(gè)電器故障導(dǎo)致“太陽峰年”進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，這讓它在接下來的3年中不工作。1984年，“挑戰(zhàn)者號(hào)”航天飛機(jī)在一次任務(wù)中回收了這顆衛(wèi)星，在修復(fù)它的故障后，重新把它送回軌道。在拍攝了日冕的上萬幅圖像后，“太陽峰年”于1989年重入地球大氣層。

日本1991年發(fā)射“陽光號(hào)”人造衛(wèi)星，在X線波長(zhǎng)觀測(cè)太陽耀斑。它獲得的數(shù)據(jù)讓科學(xué)家辨識(shí)了多種不同的耀斑，并且發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離太陽峰活動(dòng)區(qū)域的日冕比科學(xué)家之前預(yù)計(jì)的要活躍得多?！瓣柟馓?hào)”觀測(cè)了一個(gè)完整的太陽周期，但2001年的一次日環(huán)食導(dǎo)致它失去對(duì)太陽的對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)入待機(jī)模式。2005年，“陽光號(hào)”在重入大氣層時(shí)被毀。

迄今為止，最重要的太陽觀測(cè)任務(wù)之一是“太陽及日球?qū)犹煳呐_(tái)”（簡(jiǎn)稱SOHO）。SOHO由歐洲空間局和美國宇航局聯(lián)合建造，在1995年12月2日發(fā)射升空。它的原定任務(wù)期為兩年，但2009年10月美歐雙方同意把它的任務(wù)期延長(zhǎng)到2012年。正由于SOHO的貢獻(xiàn)很大，它的后續(xù)任務(wù)——“太陽動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)”（簡(jiǎn)稱SDO）于2010年1月發(fā)射。在地球和太陽之間的拉格朗日點(diǎn)（兩者的引力在這里相等），SOHO自升空以來在許多波長(zhǎng)持續(xù)觀測(cè)太陽。除了直接觀測(cè)太陽之外，SOHO還協(xié)助發(fā)現(xiàn)了1000多顆彗星，其中多數(shù)是經(jīng)過太陽的微型掠日彗星。

所有這些飛行器都是從黃道面觀測(cè)太陽，因此只能觀測(cè)太陽赤道地區(qū)的細(xì)節(jié)。美國宇航局1990年發(fā)射的“尤利西斯號(hào)”探測(cè)器，旨在觀測(cè)太陽兩級(jí)地區(qū)。它首先飛到木星，被木星引力彈射到一個(gè)軌道，這個(gè)軌道能把它帶到黃道面以上很高的地方?！坝壤魉固?hào)”進(jìn)入指定軌道后，立即開始觀測(cè)太陽高緯度地區(qū)的太陽風(fēng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)高緯度地區(qū)太陽風(fēng)的移動(dòng)速度大約為每秒750千米，比預(yù)計(jì)值低。它還發(fā)現(xiàn)，大型磁波從太陽高緯度地區(qū)浮現(xiàn)，散射星系際宇宙射線。

通過光譜學(xué)研究，科學(xué)家已經(jīng)很清楚太陽光球?qū)拥脑刎S度，但他們對(duì)太陽內(nèi)部組成了解不多。美國宇航局設(shè)想了一項(xiàng)太陽風(fēng)取樣任務(wù)——“起源號(hào)”，希望能讓科學(xué)家直接測(cè)量太陽物質(zhì)組成。不過，該任務(wù)至今依然是未知數(shù)。2006年10月，美國宇航局發(fā)射“日地關(guān)系天文臺(tái)”：兩艘相同的飛行器被發(fā)射進(jìn)地球軌道，其中一艘在地球前面，另一艘在地球后面，能拍攝太陽和太陽現(xiàn)象（例如日冕物質(zhì)拋射）的立體照片。

印度太空研究組織計(jì)劃在2017～2018年發(fā)射100千克重的“阿迪提亞”衛(wèi)星，它的主要儀器是一臺(tái)用于研究日冕動(dòng)力學(xué)的日冕儀。endprint