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李会超:没有自己的太阳观测卫星,中国错失前沿性原创发现
最后更新: 2019-12-13 13:56:55为了解开与太阳风有关的谜题,在美国的大学与科研机构的主导下,科学家们提出了一个抵近太阳的观测任务计划。在这个任务中,一个探测器将运行在环绕太阳的大椭圆轨道上,逐渐降低自己距离太阳的距离,最终到达日冕加热和太阳风加速过程真正发生的地方,进行实地探测,获得关于太阳风起源的最“鲜活”的观测数据。
帕克太阳风探测器升空后,将进入一条环绕太阳的椭圆轨道。一开始,这条轨道的近日点与太阳的距离为35Rs(Rs为太阳半径),远日点则在1AU左右。通过7次金星的借力飞行,帕克太阳风探测器在7年后会最终将自己的轨道高度降低到9个太阳半径以下,在最后的3轨飞行中实现科学家们对日冕进行抵近探测的目标。
本次发表的四篇论文,分别从慢太阳风起源、阿尔芬波动现象、高能粒子加速和日冕结构四方面,利用帕克太阳探测器所搭载的局地和遥感成像仪器对前两轨的数据进行了分析。数据的获取位置约在36Rs-60Rs之间。与之前的两艘太阳神飞船相比,帕克太阳探测器与太阳的接近程度已经打破了人类历史上的记录。靠近太阳的观测的确让科学家们看到了一些新现象。例如,对磁场的观测表明靠近太阳的磁场中存在着磁场方向快速变化的现象,可能与等离子体的微不稳定性相关。此外,在磁场观测中还发现了一些与阿尔芬波相关的磁场S形结构,以及比人们以前认为的更强的太阳风经向流动。在对高能粒子的观测中,在远离太阳的位置难以互相分辨的两种加速机制,在靠近太阳的观测中则可以找到单个机制起决定性作用的事件。而对于日冕的成像观测,由于更加靠近太阳,图像中也出现了以往未能观察到的精细结构。
《自然》对本次成果的新闻报道
笔者个人认为,这四篇文章中虽然报道了不少之前未能观察到的现象,但这些并非是彻底的解决关于太阳的理论问题的突破性进展。而这也是情理之中的事情:对于太阳风的产生,一些关键的物理过程都发生在一个名叫阿尔芬平面的关键平面之下,而这个平面的高度一般认为位于十多个Rs的位置,这也是为什么帕克太阳风探测器要将最低的近日点降低到9个太阳半径以下的原因。由于近日点的降低要在每一轨的飞行中逐渐完成,这一天的到来要等到2024年底到2025年。
我国空间太阳观测零的突破
本次发表的四篇论文,使用的数据观测时段在2018年底到2019年初,而从论文上标注的投稿和接收日期看,它们在今年夏天论文就已经全部写完。然而,帕克太阳探测器的观测数据在网络上公开,则是这四篇论文完成同行评议审稿过程、被《自然》接收之后的事情。这也是空间探测领域中的一个惯例:参与探测器项目的合作单位可以优先拿到卫星数据,并获得一定的保密期,以保证他们能够完成首批成果,在最好的期刊上发表。之后,数据才会向其他研究者公开,供大家进行比较细致的研究。
我国的太阳物理和空间天气研究有着较强的力量,各高校和科研院所中,有不少从事这方面研究的团队。然而,受经费和航天技术水平等方面的制约,我国自主获取的太阳观测数据都通过地面的望远镜获得,还没有像帕克太阳探测器和已升空多年的SDO、STEREO、SOHO等探测器这样的天基太阳观测平台。虽然中国科学家也可以通过这些卫星在线公开发布的数据开展研究,也取得了丰硕的成果,但没有自己的太阳观测卫星,就很难像本次帕克太阳探测器和以往其他太阳观测卫星公布成果时那样,获得前沿性的原创发现。同时,由于卫星观测是空间天气预报模式输入数据的来源,而空间天气预报又是军事活动和民用技术系统运行稳定正常的重要保障,依赖外国数据也存在一定程度的风险与隐患。
中科院云南天文台的1米口径太阳望远镜
在本世纪初,我国科学家曾提出过“夸父计划”这一科学思想独特的空间探测计划。这个计划设想通过三颗探测器卫星,对太阳活动对地球附近空间天气的影响作出全面系统的探测。三颗卫星中,一颗部署在能够连续监测太阳的日地L1点上,另两颗则部署在距离地球较近的地球极轨上,三颗卫星的数据相互配合,能够形成从源头到结果的空间科学认知。然而,在后期项目执行的过程中,欧空局和加拿大的国际合作方由于自身财力和其他原因退出了项目,“夸父”计划也因此未能如期实现。
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本文仅代表作者个人观点。
- 责任编辑: 柳叶刀 
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