太阳物理学（太阳物理学）

历史

对于太阳的研究增加了新的内容

人们已经能够取得从γ射线到米波射电，从慢太阳风到宇宙线能级的高能粒子的资料，从而可以得到自太阳表面到地球的整个日地空间的直接数据。正是由于上述观测手段的发展，通过理论探讨，人们进一步认识到应该把太阳和日地空间作为一个整体来加以研究。在本学科的领域内，理论上最重要的发展，无疑是阿尔文于四十年代所发现的在高导电流体中磁场与流场的耦合，从而把等离子体物理理论应用于太阳研究，解释了许多太阳射电、太阳活动的现象。

太阳是离人们最近的一颗恒星

研究内容

对太阳进行观测

最“臭名昭著”的要数“日冕加热问题”了。自从上个世纪30年代通过光谱观测发现日冕具有上百万度高温以来，如此稀薄的太阳日冕为什么能维持如此高的温度这一问题，牵扯了无数太阳物理学家的神经。尽管许多“可能”的解释被提出，并没有一个让人完全信服的模型被接受。

太阳活动周现象被观测也由来已久。人们知道太阳的黑子数每11年有一周期性变化，从太阳活动低年的几乎没有，到太阳活动高年的上百个；同时，黑子出现的位置也有周期性变化，开始时出纬度30度左右，之后向太阳赤道移动。这些都表太阳物理学家称为“蝴蝶图”的观测中。虽然一些太阳“发电机”模型能大体解释一些太阳活动周现象，但是其中一些具体问题还使科学家们无法自信地宣称太阳活动周问题已得到解决，人们还不能准确地预报下一个活动周内将会出现的状况。

20世纪70年代发现的日冕物质抛射为太阳家族增添了一个新的未解之谜。人们观测到大量的起源于太阳低层日冕的物质以平均每秒几百千米的速度被抛出日冕。部分这些物质甚至会经历日地之间漫长的旅行，而到达地球外层大气，从而对地球的电离层和通讯造成影响。尽管到为止，科学家们已对上万个日冕物质抛射进行了观测，但对其到底为何发生以及何时会发生，仍没有一个完整、准确的把握。

由此可见，太阳物理研究中存在着许多长久未解决的问题。这主要是由于人们对太阳的观测已积累了相当丰富的资料，因此任何理论和模型要想成立，都必须解决和解释众多的、纷杂的观测现象。那么，出路究竟在哪儿呢？也许，观测被认为是太阳磁场构件的“基本磁元”是出路之一。

“基本磁元”是指太阳物理学家认为的组成太阳磁场的、不可再分的基本磁场构件，有些类似于原子在物质组成中的地位。对原子和元素周期表的了解大大增强了人们对物质各种各样化学性质的了解，也许，与此相类似，对“基本磁元”的了解，将帮助人们了解纷杂的太阳物理现象，从而使各种物理现象在一个更本质的层次上得到统一。但是，观测“基本磁元”需要极高的空间分辨率。例如，理论估计磁元的大小在0.1角秒左右，这使得在地面观测“基本磁元”基本成为不可能。由于地球大气的不断抖动，使地面观测的空间分辨率限制在1～2个角秒左右。因此，人们只能借助于将望远镜发射到地球大气外的空间进行观测，以求得到高分辨率的观测资料。当然，最近发展起来的主动光学技术，在配合大型计算机使用的情况下，有可能部分克服大气抖动的影响，从而达到提高地面观测分辨率的目的。这方面的研究尚处于研制、开发阶段。

空间观测的好处不仅在于提高了观测的空间分辨率，同时由于不再有地球大气的消光作用，观测的灵敏度也能大幅度地提高。能够让人们把太阳看得更“真真切切、明明白白”。当然，空间望远镜的制作具有相当的难度，所以人们也不是能一蹴而就地直接进行0.1角秒量级的观测。从国际空间太阳望远镜的发展来看，也是经历了一个从90年代初，日本阳光卫星的2.5角秒量级的观测，到1995年上天的SOHO卫星的1.8角秒分辨率观测，再到1998年发射的TRACE卫星的0.5角秒高分辨率观测，这样一个发展的过程。值得欣慰的是，随着空间观测的时间分辨率和空间分辨率的不断提高，越来越多的物理现象被人们“捕捉”和了解，太阳物理研究正在进入其黄金阶段。解开“磁元之谜”，乃至诸多太阳物理之谜的关键一举，也许就在中国的空间太阳望远镜(SST)上。SST是中国科学院国家天文台艾国祥院士提出的、用于观测太阳磁元精细结构的空间望远镜。SST的主要负载是一个1米口径的光学望远镜，用于观测太阳光球层的矢量磁场。SST的0.05角秒的高空间分辨率将使太阳矢量磁场的观测达到国际上前所未有的精细程度。同时，SST的8个通道同时观测也将使观测的时间分辨率大大提高。如此高时间分辨率和高空间分辨率的观测，将使人们对太阳上的诸多基本物理现象，如太阳活动磁场变化、太阳耀斑的积蓄和爆发过程、日冕物质抛射、太阳风的形成等等，有更深入和更本质的了解，并可能取得太阳物理学上的重大突破。卫星总质量达2吨，是世界上最大的热光学望远镜。

它将由长征四号乙型火箭发射，在距地709千米的太阳同步轨道上以始终指向太阳的姿态运行。在3年寿命期间，实行24小时连续工作。中国科学院国家天文台自1992年起就一直致力于“空间太阳望远镜”的研究，已建立了一些相关的实验室，并做了大量的技术攻关工作。两块1米口径的光学镜片已制作成功，正在进行组装、调试。期待着SST的成功发射，期待着其为中国天文学乃至世界太阳物理学，翻开新的一页。

相关学科

天文学、光学天文学、射电天文学、红外天文学、X射线天文学、空间天文学、天体物理学、恒星物理学、行星物理学、天体力学、天体动力学、宇宙学、宇宙化学、大爆炸宇宙学、天体测量学、实用天文学、天体演化学、天文史学、考古天文学。

发展趋势

太阳是一颗普通的恒星，也是唯一一颗能进行高分辨率详细观测和研究的恒星，因此它被视作天然的等离子体实验室。对太阳活动的详细研究可以推广到宇宙间各类活动现象的研究中，并对研究日地空间环境和地球环境有重大的实际意义。太阳物理学研究不仅对认识天体物理过程而且对广泛的自然科学问题都是具有唯一性的。美国科学院关于《新千年天文学和天体物理学》的规划认为，太阳物理学研究已经远远地超出了狭义的太阳物理和天体物理学范畴，正在向下列三个重大方向扩展：

（1）把太阳作为等离子体物理学研究的实验室；

（2）理解和预报太阳对地球气候和日地环境的影响；

（3）理解太阳演化对行星系统生命演化的作用，并在这些多学科层面创造新的知识。

太阳物理的真正发展始于19世纪初。1802年发现太阳的吸收光谱；1844年发现太阳黑子11年周期；1859年发现太阳耀斑；1908年测定黑子磁场；1919年发现太阳的22年磁周期；1930年首次建成日冕仪；1939年确立日冕的存在；1942年发现太阳米波射电辐射、证认日冕高电离原子的禁线，确认日冕为高温等离子体；1946年提出耀斑的磁重联机制、发现紫外和X射线光谱；1950年提出射电辐射机制；1955年发现太阳普遍磁场；1958年预言太阳风并于1962年得到观测证实；1961年提出太阳周唯象模型；1968开展太阳中微子探测并发现中微子短缺，这一问题直到2001年才被Davis和小柴昌俊解决并获得2002年度诺贝尔物理奖。

从20世纪60年代开始，一系列空间观测揭示了太阳与日球空间的新面貌。如1962－1975年美国的OSO 1－8系列卫星，1973－1974年运行的Skylab卫星，1980年的SMM卫星，1991年美国的伽马暴探测卫星CGRO/BATSE等。1960年发现太阳5分钟振荡并导致十余年后日震学的确立与发展；1962年确认太阳风；1971年发现CME；1968－1977年初步建立耀斑标准模型；1983年发现过渡区爆发现象，并证实它源于低层大气磁场重联；基于光球层矢量磁场观测的日冕磁场外推方法陆续被提出，MHD数值模拟工作得到发展。

20世纪90年代以后太阳与日球物理的研究进入了一个全面发展时期。这期间空间卫星探测占据主导地位，Yohkoh、Ulysses、SOHO、RHESSI、TRACE、Hinode、Stereo等太阳探测卫星无论是在探测技术还是在探测范围都得到了空前的提高，开始了多波段、全时域、高分辨率和高精度探测的时代。同时结合一系列地面观测设备的联合研究，取得了一系列科学发现：

(1)太阳内部结构和动力学方面，1992年日震学研究在太阳辐射层和对流层边界发现了一个速度高度剪切的、厚度只有约0.05R⊙的Tachocline层，被认为是太阳磁场和太阳周发端的孕床；发现了新活动区浮现的显著特征；发现在接近太阳表面的稳定流向极区的子午环流；详细的三维磁流体数值模拟，再现了活动区浮现的主要观测特征。

(2) 太阳表面磁活动方面，太阳磁场与电流和磁螺度同时浮现，通过对流塌缩和浮力不稳定性发展为与太阳表面近垂直并超过1.5kG的磁场；太阳活动区的谱斑辐射增强超过黑子本影和半影的吸收；太阳磁场分布决定太阳总亮度的变化；红外太阳向量磁场观测取得进展，得到在温度极小区高达5G/km 的磁场梯度，揭示低层大气的电流片结构；暗条和日冕磁场测量正成为可能；太阳表面小尺度磁场的浮现和对消在约40小时的时标内迅速更新太阳表面磁通量；观测到太阳极区的kG磁场以及太阳表面量大命短的水平磁场。太阳表面的局地磁发电机可提供足够的磁能加热太阳外层大气；太阳表面到处都存在小尺度的磁环，它们受对流等离子体影响，形成磁毯结构，很可能与传统的磁结构伞盖模型不一致。

(3) 太阳外层大气和日球方面，太阳色球和过渡区之间无明显边界，其光谱特征远离局部热动平衡，是非线性磁流体动力学过程在辐射转移中的反映；有磁场和无磁场区域很可能存在不同的大气模型，标准大气模型只是一个平均结果；初步证认日冕中波的传播、磁重联、微耀斑对UV和EUV谱线轮廓的影响；射电、X射线、光谱和白光日冕观测揭示日冕以CME的形式向行星际空间抛射磁化等离子体和磁螺度，同时通过发生在CME和耀斑之间的电流片当中的磁重联释放磁自由能；CME的源区、触发机制、与太阳耀斑及爆发日珥的关系、和对地有效性研究取得重要进展；高速太阳风起源的研究取得实质性进展。

(4) 太阳和恒星的联系方面，恒星磁活动研究和星震学取得重要进展。恒星磁活动对于恒星温度和自转速度的依赖，及这些性质与恒星年龄和恒星光球锂和铍丰度的关系开始被揭示。研究与太阳相似的恒星对理解和预测太阳磁活动长期行为有重要意义。

（5）空间等离子体和磁流体数值模拟逐渐在太阳物理中得以应用，现已成为理论和观测之外的又一种重要研究手段。

在探测技术方面，进一步提高探测仪器的空间-时间-波段分辨率，并实现全波段的探测是未来的发展方向，2006年发射的日美欧合作项目Hinode（即Solar-B）在分辨率方面已经有了很大的提高，计划中的其他项目，如SDO、Solar Orbiter以及几个地面设备如美国国立天文台4米太阳望远镜 (ATST)、大熊湖1.6米太阳望远镜（NST/BBSO）、美国变频太阳射电望远镜（FASR）等都将在这几个方面有突破。

太阳物理学尚未解决的难题中，以太阳发电机、太阳纤维化的表面磁对流过程和活动日冕的加热等三大难题对天文学和天体物理学最重要。其中，有关太阳磁场和磁化等离子体的研究是最核心的物理问题。太阳对气候和空间天气的影响、对宇宙中生命现象的影响，其根源都是太阳磁场活动。近年天体物理研究（如星暴星系、吸积盘和喷流、g暴等）的进展，清晰表明天体磁场与等离子体耦合（即磁流体力学）研究的重要性。由于太阳是唯一能进行高分辨率磁活动观测的天体，因此观测和研究太阳对其它高能天体物理的研究有重要的引导和推动作用。

美国科学院空间科学委员会提出的第一个挑战性的科学问题就是：“理解太阳内部的结构和动力学、太阳磁场的产生、太阳周的起源、太阳活动的成因和日冕的结构和动力学。”理解、定量描述并预测太阳、日球和磁层动力学过程对人类活动的影响成为当今空间科学的主要目标和重大课题之一。在这些具有挑战性的课题中，理解太阳和空间等离子体过程的基本的物理原理，是一个基础性研究。美国学者Aschwanden在一篇综述文章中列出了以下10个太阳物理学中的重要课题：（1）中微子问题；（2）太阳内部结构（即日震学）；（3）太阳磁场（包含发电机、太阳周的产生及日冕磁场的测量）；（4）冕环动力学；（5）日冕中的波与振荡（即冕震学）；（6）日冕加热；（7）爆发现象的自组织现象；（8）磁重联过程；（9）高能粒子加速；（10）日冕物质抛射及相应的现象。

2．国内太阳与日球物理领域的现状和近几年的进展

（1）研究队伍

经过几十年的发展，我国已形成了一支在国际上有一定影响力的太阳物理研究队伍。这些研究力量集中在中国科学院国家天文台、紫金山天文台、云南天文台、空间科学与应用研究中心和南京大学。另外，在中国科技大学、北京大学、北京师范大学等单位也有部分研究人员从事与太阳物理相关的研究。研究人员总数大约有150名，其中包括中国科学院院士5人，硕士和博士研究生约100名。这些研究人员分布在大约10个研究团队里从事着各具特色的研究。

（2）观测设备

我国已建成了包括一系列总体性能优良的观测设备，其中部分设备达到国际先进水平。从规模和水平看，我国太阳物理研究在发展中国家中居于首位，在部分研究领域保持了国际先进水平。这些观测设备主要有：

怀柔太阳观测基地：为国际重要的太阳磁场和速度场观测研究基地，拥有世界一流的太阳多通道望远镜，该仪器分别获得国家科技进步一、二等奖各一次和中国科学院科技进步一等奖两次，可进行太阳光球和色球磁场和速度场观测。基地与美国大熊湖天文台在世界上首先成功地进行了太阳磁场的“日不落”观测，为太阳物理研究领域中的开创性研究课题。近期建成的怀柔的全日面矢量磁场望远镜系统，已经成功常规运行，开展全日面矢量磁场科学观测和研究工作，获得部委级科技一等奖。具有高时间（5-8毫秒）、高频率（4-20MHz）分辨率的中国太阳射电宽带动态频谱仪（1.0-2.0GHz, 2.6-3.8GHz和5.2-7.6GHz频段），与紫台、云台联合获北京市科学技术一等奖。

云南天文台太阳物理观测设备：0.6-1.5GHz频段射电频谱仪，频率分辨率1.375MHz，时间分辨率5毫秒。全日面望远镜和Ha单色像精细结构望远镜观测资料一直是太阳物理、日地关系及相关学科研究的基础数据，先后参加了国内外色球活动巡视资料联合发布，也一直是全球太阳活动24小时监视网络当中的骨干仪器。

紫金山天文台太阳物理观测设备：4.5-7.5GHz频段射电频谱仪，频率分辨率10MHz，时间分辨率5毫秒。赣榆Ha精细结构望远镜口径26cm，线心6563A，带宽0.25A，该仪器可对太阳进行高时间分辨率成像观测。多通道近红外太阳光谱仪，同时对太阳活动及宁静现象进行Ha、CaII 8542和HeI 10830三条线的光谱观测和缝前Ha单色像观测。三条谱线的光谱（像元）分辨率分别为0.055埃、0.052埃和0.048埃。

南京大学太阳塔：塔高21米，定天镜口径60cm，成像镜口径43cm，焦距21.7m，目前在Ha、Ca II 8542和He I 10830三个波段配有成像光谱观测。光谱分辨率在Ha波段为0.025埃，在Ca 8542波段为0.059埃。

（3）科学研究进展

在太阳表面磁学，包括太阳活动区向量磁场演化和太阳弱磁场研究，太阳活动大气的光谱诊断、基于非局部热动平衡理论计算的半经验大气模型、耀斑动力学过程、太阳活动中的高能辐射、太阳大气中的微观等离子体机制、太阳风理论和模型、太阳磁场的理论外推、太阳活动磁流体理论与数值模拟、太阳活动中长期变化等方向开展了一系列原创性研究，在国际学术界已占有一席之地。例如，近年中国太阳物理学家在国际天文联合会编号学术会议上（IAU Symposia）或国际空间科学委员会学术会议上（COSPAR Colloquia）多次担任科学委员会成员、分会主席、科学委员会联合主席等。2004年以来，在IAU Symposia 上，中国太阳物理学者做了7次大会特邀报告，包括大会开场评述报告。艾国祥曾担任IAU第10委员会主席，方成、汪景琇、甘为群都曾担任IAU第10和12委员会组委；方成、汪景琇曾任和在任国际太阳物理权威刊物编委。另外我国资深学者胡友秋等在太阳磁流体力学数值模拟研究中也在国际上有相当的影响。我国学者在太阳物理学科保持了相对的学术优势。