太阳磁场的秘密科普知识

　　我国第一颗综合性太阳探测卫星——先进天基太阳天文台（ASO-S），即将进入正样研制阶段。目前，卫星的工程样机研制已经接近完成，有望于2022年发射升空。ASO-S主要科学目标为研究“一磁两暴”，即太阳磁场以及两类最剧烈的太阳爆发现象——耀斑和日冕物质抛射。届时，ASO-S将详细记录第二十五个太阳活动周的“太阳风暴”，并及时预报太阳爆发对地球的可能影响。

　　“ASO-S将搭载3台不同功能的太阳探测望远镜，一个是全日面矢量磁像（FMG），专门观测太阳磁场；一个是硬X射线成像仪，专门观测太阳耀斑；一个是莱曼阿尔法太阳望远镜，专门观测日冕物质抛射。”中国科学院国家天文台FMG载荷团队相关负责人表示，作为ASO-S的一个重要组成部分，FMG的测量目标将是太阳物理学中的“第一观测量”——磁场。

　　一、令人着迷的太阳磁场

　　1908年，美国太阳物理学家海尔首次观测到太阳磁场。随着太阳磁场的发现，也开启了现代太阳物理学。从此，人类开始密集地探索太阳上各种现象背后的物理本质。一些探索还极大地推动了物理学基础理论的发展。

　　太阳磁场中储存着巨大的能量。当磁场演化到一定阶段后，太阳就像是被触怒了一样，突然将这些能量一股脑地倾泻出来。太阳上大体存在两类这种大规模的爆发性磁活动现象：耀斑和日冕物质抛射。

　　FMG载荷团队研究员苏江涛表示，太阳极其复杂的磁场也引发了许多令人着迷的显著特征，比如太阳黑子等。“通过望远镜，天文学家可以观测到简单的偶极活动区在日面上面积不断变大的演化过程。通过磁流体力学（MHD）模拟，能够看到与活动区相关的磁力线从太阳内部浮现出来，不断向上膨胀，穿过光球层、色球层、过渡区和日冕。”

　　太阳活动区以外的区域被称为宁静区。随着望远镜空间分辨率、时间分辨率的提高，天文学家发现太阳上的宁静区其实并不宁静。有许多小尺度活动现象都与宁静区的磁场变化有关，比如在光球层可以看到米粒组织的对流运动，在色球层可以看到针状体的运动和演化等等。

　　“正是太阳的磁场及其活动导致了黑子周期、太阳爆发以及日冕加热。因此，测量太阳磁场是太阳物理学者最重要的使命之一，也是必须完成的'任务。”苏江涛表示。

　　二、观测从地基到太空

　　虽然人类对太阳的观测有着悠长的历史，但对它的真正深入理解则始于上个世纪初。

　　一个多世纪以来，海尔所开创的利用塞曼效应测量光球磁场的方法一直被人们所沿用。今天我们已经能够对全日面的光球矢量磁场进行较高精度的测量。在中国，艾国祥院士创建的国家天文台怀柔太阳观测基地对光球磁场测量也作出了重要的贡献。这些磁场测量大大促进了我们对太阳爆发机制的理解。

　　直到1990年，欧洲、美国、日本陆续发射了可用于观测太阳磁场的空间卫星，人类对于太阳的观测开始进入到空间观测时代。FMG载荷团队研究员邓元勇表示，“相较于地基观测，空间观测能够连续、稳定地获得数据”。

　　1995年，美国搭载了测量太阳速度场和磁场观测仪器的SOHO卫星发射入轨，人类拥有了真正意义上的首个空间太阳磁场观测设备；2006年，我国怀柔太阳观测基地的全日面矢量磁场望远镜，观测到了世界上第一张全日面矢量磁图。同年，日出卫星发射成功，人类首次用50厘米光学望远镜进行空间太阳光学和磁场观测；2010年，空间矢量磁场观测的主角变成美国的SDO卫星；到2022年，这一主角将是我国的ASO-S卫星。

　　三、全日面矢量磁像仪的重任

　　在19世纪40年代，德国的药剂师、业余天文爱好者施瓦布在经过长期观测后，发现太阳黑子数存在周期性的变化。从太阳活动峰年到谷年再到峰年，大约是11年。而在总结了以前的观测资料后，科学家把1755-1766年定义为第一个太阳活动周。2021—2022年正处于第25个太阳活动周期的开始阶段，太阳黑子将越来越多，太阳磁场也会越来越强，太阳的爆发会增加，预期在2025年前后达到峰值。

　　与国际上之前的70多颗太阳探测卫星相比，ASO-S卫星最大的特点是要实现“一磁两暴”的科学目标，即在一个卫星平台上同时观测太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射，研究它们三者之间的关系。

　　“ASO-S卫星2022年发射应该是一个非常好的时机，能够观测到一个较为完整的太阳周期。”邓元勇表示，作为观测太阳“第一观测量”的仪器，ASO-S搭载的全日面矢量磁像仪，与SDO卫星上的日震和磁成像仪相仿，但具有相对更好的磁场测量精度，将用于全日面太阳矢量磁场的高时间分辨率、高空间分辨率和高灵敏度测量。

　　FMG基于双折射滤光器，相较于日出卫星的Stokes参数仪，具有更大的视场、更高的观测效率和时间分辨率；相较于SDO卫星和SOHO卫星的磁像仪，观测模式简单，磁场测量灵敏度高。FMG观测的原始数据是偏振信号，需要将原始数据校正、定标、反演后才能获得矢量磁场数据。

　　邓元勇表示，ASO-S卫星成功发射后，FMG获得的矢量磁场数据可以帮助我们深入理解耀斑和日冕物质抛射过程中的磁能传输、积累和释放问题，并为空间天气事件预报提供观测基础。