鞠强教授发表的论文

太阳轨道探测器可以在太阳自转时在表面的某些位置上空悬停。 （ESA/图） 2020年4月24日是哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）升空30周年纪念日，全世界的天文学家和天文爱好者都在庆祝这个具有里程碑意义的日子。30年来，哈勃太空望远镜成果丰硕，彻底改变了我们对宇宙的认识。 但在以哈勃太空望远镜为代表的一批探测器望向宇宙深处的同时，我们其实在很长时间里都缺乏对太阳的足够了解。太阳作为太阳系的母星，对人类、地球上的其他生命以及整个太阳系都有着不可替代的意义，因此研究太阳的形成、演化和对地球的影响就成为天体物理学家的重要任务之一。不过，伴随两台太阳探测器在2018年和2020年先后发射，我们有望以前所未有的水平了解这个对人类来说最重要的天体。北京时间2020年2月10日，由欧洲空间局（ESA）领导并和美国国家航空航天局（NASA）合作的太阳轨道探测器（Solar Orbiter）在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空。如果任务进展顺利，太阳轨道探测器将成为首个拍摄太阳南北极地区图像的探测器，从而帮助研究人员获得对太阳更加完整的了解。 太阳轨道探测器是ESA正在实施的名为“宇宙视野2015-2025”（Cosmic Vision 2015-2025）的科学计划的一部分。发射这样一个探测器的想法最早始于1982年。2000年，ESA同意启动这个项目并在2003年进行了再次确认。ESA在2012年同制造商签订合同。探测器的制造前后花费了6年时间，并经过1年多的测试。ESA最早计划在2017年把探测器发射升空，后经过几次推迟最终确定在2020年。 太阳轨道探测器重1800千克，翼展18米，携带10种科学设备，包括磁力计、高能粒子探测仪和太阳风层成像仪等。依靠这些设备，探测器可以实现两种研究模式：一种是测量探测器附近的空间环境，包括电场、磁场和粒子等；另一种是从远处拍摄太阳的图像，包括太阳大气和物质的喷流。探测器距离太阳最近时同太阳的距离只有大约4200万千米，届时将位于水星的轨道内。特制的隔热板可以经受500℃高温的考验，先进的隔热技术将对探测器携带的科学设备进行保护。 探测器成功发射后，项目团队首先会对其进行为期大约3个月的调试，以验证探测器携带的科学设备都能正常工作。此后，探测器还需要将近2年的时间才能进入环绕太阳的工作轨道，这个特殊的轨道是探测器能够拍摄太阳南北两极图像的关键。 日地平均距离约为1.5亿千米（1AU），这个距离远小于地球到冥王星的距离。但是，把探测器向太阳发射并不比把探测器向冥王星发射更简单。地球时刻都在高速绕太阳旋转，从地球上发射的探测器需要减速，不断降低轨道，才能接近太阳。这个减速过程通过探测器自身的发动机无法完成，因此在接近太阳的过程中，探测器不是径直飞向太阳，而是首先需要3次借助行星的引力弹弓效应实现减速。这3次分别是2020年12月和2021年8月依靠金星的引力弹弓效应减速以及2021年11月依靠地球的引力弹弓效应减速。 在利用地球的引力弹弓效应减速后，探测器将在2022年首次飞掠太阳，此时距离太阳的距离约为日地距离的1/3。在随后的任务期内，探测器还会6次利用金星的引力弹弓效应不断接近太阳，并将自己从太阳系的黄道面中甩出，进入环绕太阳的高椭圆轨道。 在太阳系中，行星环绕太阳运行的轨道基本都在一个平面内，这个平面和太阳自身的赤道面只有很小的夹角。因此，地球上的望远镜或者卫星上的望远镜对太阳进行观测时，对太阳赤道地区有比较多的了解，对太阳的南北极地区的观测则非常有限。ESA和NASA曾经联合在1990年10月发射了尤利西斯（Ulysses）太阳探测器，这个探测器一直工作到2009年6月。尤利西斯探测器曾经在倾斜轨道上对太阳两极附近的空间区域进行测量，但是尤利西斯探测器距离太阳太远而且也没有携带相机，所以无法对太阳的两极地区进行拍摄。 太阳轨道探测器在借助引力弹弓效应进入高椭圆轨道后，可以在计划中的5年的任务期内，到达与太阳赤道面的倾角超过17°的位置；在根据任务需要而可能进行延伸的任务期内，倾角最大可以达到33°。这样探测器就能实现对太阳南北两极的观测和拍摄。同时，太阳轨道探测器的最高速度几乎可以达到太阳的自转速度，因此探测器可以在太阳自转时在表面的某些位置上空悬停，进而研究太阳的某个特征是如何随时间演化的。 长期以来，研究人员了解到太阳活动的周期为11年左右，但是描述这一周期的模型却始终无法与观测结果匹配，重要原因就是缺少太阳两极地区的数据。太阳轨道探测器获得的信息将成为完善太阳磁场模型的关键拼图，使研究人员了解驱动太阳活动的力量。 研究人员通过探测器获得的数据可以研究太阳内部的工作机制，观测太阳喷发出的高能粒子并且追踪这些粒子通过太阳风的形式在太阳系中的运动，以便更好地理解和预测空间天气。太阳风暴对电网、航空运输和通信都会造成影响，并且威胁到进行太空行走的航天员的安全。发生在1859年的卡林顿事件被认为是有记录以来最强的太阳风暴，此后对人类生活造成严重影响的太阳风暴也屡见不鲜。如果能够进行及时、准确的空间天气预报，我们就可以提前关闭通信设备、合理规划航班以及停止航天员出舱作业，将太阳风暴对我们的影响降至最低。 对此，ESA科学主任冈瑟·哈辛格（Günther Hasinger）就在ESA官网上表示：“人类一直都很熟悉太阳对地球上的生命的重要性，观察太阳并且仔细研究太阳是如何工作的。但同时我们也知道，强大的太阳风暴有可能打乱我们的日常生活。到太阳轨道探测器任务结束的时候，我们将对造成太阳行为变化以及它对我们地球的影响的背后力量有更多的了解。” NASA科学副主管托马斯·佐布臣（Thomas Zurbuchen）也在NASA官网上表示：“太阳轨道探测器将和其他近期正在执行的NASA任务共同研究太阳，我们也将获得对这颗恒星前所未有的新知识。我们将同欧洲合作伙伴一起进入一个太阳物理学研究的新时代。” 太阳轨道探测器发射升空图。 （ESA/图）太阳轨道探测器的发射是近年来蓬勃发展的太阳研究的一个缩影，也是人类 探索 太阳的最新尝试。除了合作发射尤利西斯探测器外，ESA和NASA曾经在1995年12月合作发射了“太阳和太阳风层探测器” （Solar and Heliospheric Observatory，SOHO）。这个探测器发射时计划工作2年，但到目前为止已经工作了超过24年的时间，任务期还有可能继续延长至2022年。 托马斯·佐布臣提到的NASA最近在执行的太阳任务中，一个关键部分就是帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）。北京时间2018年8月12日，帕克太阳探测器发射升空飞向太阳。这个探测器的任务是对日冕和太阳风进行研究，从而加深我们对于太阳物理的认识。探测器以现年92岁的美国天体物理学家尤金·帕克（Eugene Parker）命名，正是他在1958年前首先提出了太阳风理论。 如果任务一切按计划顺利进行，帕克太阳探测器将创造多项第一。比如说，它将成为有史以来距离太阳最近的探测器。在任务周期内，探测器距离太阳最近时的距离只有大约600万千米，这个距离差不多是此前距离太阳最近的探测器太阳神2号（Helios B）的1/7。由于日冕的范围从太阳表面向外延伸超过1000万千米，因此帕克号也将成为首个进入日冕层进行观测的探测器。 帕克号在任务周期内能够24次飞掠太阳，这样探测器就有足够的时间来收集数据。而在最后3次接近太阳的时候，帕克号的最高速度将会达到200千米/秒，成为有史以来速度最快的探测器。 在发射之后这一年多的时间里，帕克太阳探测器已经给我们带来了很多惊喜。北京时间2019年12月5日凌晨，NASA向媒体发布了研究人员根据帕克太阳探测器的前3次飞掠得到的首批研究成果， 4篇研究论文也于同日发表在《自然》（Nature）上。2020年2月3日，《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）出版了一期以帕克号为主题的增刊，发表了47篇根据帕克太阳探测器的观测数据撰写的论文。这些论文同样基于帕克号的前3次飞掠，有些是对《自然》上发表的论文进行了补充，有些是新近完成的研究。在这些论文之前，美国空间物理学家玛西亚·纽格伯尔（Marcia Neugebauer）撰写了一篇引言，正是她首次探测到帕克提出的太阳风。 在2019年底发表于《自然》上的这4篇论文中，研究人员报告了初步的研究成果。他们发现，虽然太空中充满尘埃，但是在靠近太阳的空间区域内，因为尘埃被加热成气体，因此可能存在无尘区域。数据显示，从距太阳大约1100万千米处到约600万千米处，尘埃逐渐变少。真正的无尘区域可能在距离太阳300万-400万千米的区域，预计2020年帕克太阳探测器可以到达这个区域。 研究人员在地球附近观测到的太阳风是相对均匀的等离子体流。但是太阳风到达地球时已经经过了1.5亿千米的旅程，因此能够帮助研究人员理解太阳加热和加速太阳风的机制的很多信息都已经被抹掉。帕克太阳探测器在太阳附近的太阳风中观测到了截然不同的情况。等离子体中的磁场会发生快速的变化，同时有突然而快速移动的物质喷射，这些都使太阳风同在地球附近时相比更加不稳定。这些细节是帮助研究人员理解太阳风如何在太阳系中传播能量的关键信息。 其中吸引研究团队目光的一种特别的现象是太阳的磁力线发生令人意想不到的变化，会在几秒钟到几分钟之内发生180°的转向。在《自然》上的一篇论文中，研究人员进行了初步的探讨，而在《天体物理学杂志》增刊的一篇论文中，他们对此进行了进一步的分析，不过目前还无法解释这种现象。除了先后发表的4篇和47篇论文外，更多根据前3次飞掠获得的数据而进行的研究还将陆续发表成果。 太阳轨道探测器进入发射前的准备工作。 ESA和NASA在太阳研究领域内建立了紧密的合作，各自主导的一台探测器同其他在轨探测器和地基观测设备配合，可以勾勒出一幅更加完整的太阳物理图像。太阳轨道探测器和帕克太阳探测器有不同的特点。帕克太阳探测器比太阳轨道探测器距离太阳近得多，以更好地研究太阳风的起源，但是帕克号没有携带直接给太阳拍照的照相机。而太阳轨道探测器携带的设备既能对太阳进行远距离测量，又能观测探测器周围的空间环境，这些能够为解读帕克太阳探测器的观测数据提供更多的信息。太阳轨道探测器上搭载的相机可以拍摄帕克太阳探测器的位置，这样在帕克号测量等离子体时，太阳轨道探测器会在后面为它拍照。从两台探测器互补的数据中，研究人员可以发现更多的科学内容，实现一加一大于二的效果。 NASA太阳轨道探测器项目科学家霍利·吉尔伯特（Holly Gilbert）表示：“太阳轨道探测器和帕克太阳探测器在这段非凡的旅程中将共同揭开太阳和太阳大气的最大谜团。两项任务和它们令人惊叹的技术进步的强有力结合将把我们对太阳的理解推向新的高度。” 研究人员通过对太阳进行详细研究，不仅可以解答众多有关太阳自身的问题，更好评估太阳活动对人类生活和未来太空 探索 任务的影响，还有望加深对恒星演化机制的认识。同时，在人类已经发现数千颗地外行星的情况下，这些研究还有助于科学家推测围绕类日恒星运行的地外行星上是否存在生命。毫无疑问，太阳物理学研究正在进入一个黄金时代。 南方周末特约撰稿 鞠强

张韵和林潮通过数值模拟得到的奥陌陌。 （国家天文台 张韵/图） 2017年10月19日晚，美国夏威夷大学的天文学家罗伯特·威里克（Robert Weryk）发现了一个此前从未被记录在册的小天体。经过此后一个多月的观测，天文学家最终根据这个小天体前所未有的轨道确认它来自太阳系之外。这个天体成为有史以来天文学家发现的第一个来自太阳系外的天体。 天文学家通常会将新发现的小天体归类到彗星或者小行星中，但是这个小天体却令他们感到困惑。他们发现，这个天体没有彗星靠近太阳时的典型特征，即没有发现它向外喷射气体和尘埃的迹象，因此初步推断这个小天体不是一颗彗星。因为这个天体太小太暗，天文学家很难直接确定它的外形和尺寸。他们根据天体的光度变化推测这个天体有着类似雪茄的奇特外形，长度约100米，长短轴比例为6∶1-10∶1，远大于太阳系内已知小天体的长短轴比例，同时它在运动过程中伴随着快速旋转，自转轴也不固定，天文学家还没有在太阳系中发现类似形状的小天体。 此后，负责为新发现的天体命名的国际天文学联合会（IAU）创造了一个不同于彗星（C）和小行星（A）的新类别——星际天体（I）——来给这个天体命名。这个系外来客的正式科学名称是“1I/2017 U1”，其中1I中的1代表这类天体中的第一个，I代表星际（Interstellar）。作为这个天体的发现者，夏威夷哈雷阿卡拉天文台的天文学家用当地语言中的’Oumuamua命名它，这个词在当地语言中的意思是“第一位来自远方的使者”。全国科学技术名词审定委员会天文学名词审定委员会随后确认这个天体的中文名称为“奥陌陌”。奥陌陌是天文学家发现的第一个星际天体，因此他们对奥陌陌的到来实际上准备不足。当他们发现的时候，奥陌陌已经在飞离我们的路上。很快，又小又暗的奥陌陌就消失在光学望远镜的视野中，天文学家希望用斯皮策太空望远镜在红外波段进行追踪的努力也以失败而告终。根据计算，奥陌陌现在已经飞出土星的轨道，并将在大约1万年之后飞出太阳系。 奥陌陌已经消失在深空中，但是笼罩在它身上的谜团却引发天文学家持续的研究。虽然天文学家没有观察到奥陌陌如彗星一样喷射气体和尘埃的迹象，但是观测显示奥陌陌在离开太阳系的过程中处于加速状态，同它谜一般的外形一样，这个加速度的来源也有待破解。 发现奥陌陌后，天文学家第一次有机会对星际天体的形成和演化机制进行直接的研究。2019年8月，业余天文学家根纳季·鲍里索夫（Gennady Borisov）发现了第二个星际天体，后来这个天体以他的名字命名为2I/Borisov彗星。不过与奥陌陌相比，在这颗彗星进入太阳系的途中，天文学家就已经发现了它并对它进行了长达几个月的观测。观测结果显示，2I/Borisov彗星虽然来自太阳系外，但是与太阳系内的其他彗星相比没有什么特别的不同。这样一来，研究星际天体的天文学家仍然把重点放在奥陌陌身上。 奥陌陌消失之后，各种解释层出不穷，其中包括哈佛大学天文学系主任阿维·莱博（Avi Leob）等人提出的耸人听闻的“光帆飞船说”。系外智慧生命飞船这种说法暂且不论，其他的解释也没有哪个得到广泛的接受。因此，天文学界对奥陌陌起源和演化的争论一直没有停止。2020年4月13日，中国科学院国家天文台博士张韵和清华大学高等研究院访问教授林潮在《自然·天文》（Nature Astronomy）上发表论文，给出了他们的解释。他们认为，新模型表明奥陌陌可能是被原行星系统中恒星的潮汐作用撕碎并甩出的碎片，他们进行的数值模拟的结果全面系统地复现了奥陌陌的特征。 张韵在国家天文台官网上简要介绍了研究的主要思路和结论。他们使用超级计算机对天体近距离飞越恒星过程中的结构和热力学演化展开高分辨率的数值模拟，发现恒星的潮汐力可以将天体撕碎成许多细长型碎片，同时潮汐作用可使部分碎片的速度增大至超过恒星的逃逸速度，使它们成为星际天体。这些碎片具有翻滚旋转的特征，长短轴的比例大多数高于5∶1，有些甚至能够高于10∶1，这也符合奥陌陌的观测特征，可以解释奥陌陌奇特的外形。 对于奥陌陌加速度的来源，这个理论也能给出解释。他们认为虽然恒星的热辐射使得奥陌陌内部的一氧化碳等可挥发性气体消耗殆尽，但是一些升华温度较高的可挥发性物质（如水冰等）能够在地下数十厘米处保存完好。在奥陌陌远离太阳的过程中，这些剩余的水冰可被太阳的热辐射激活喷发，提供观测到的奥陌陌的加速度。 张韵同时表示：“类似奥陌陌的星际天体穿越太阳系不应该是一个偶然事件，从概率上估计，每个太阳系周围的恒星系统平均至少可以产生百万亿数量级的类似星际天体，才能够解释奥陌陌闯入太阳系事件的发生概率。”林潮也认为，奥陌陌只是冰山一角，天文学家在未来将有机会观测到大量的同类天体。 耶鲁大学天文学教授格雷戈里·拉夫林（Gregory Laughlin）认为这项研究非常巧妙地运用行星系统演化过程的普遍现象解释了奥陌陌的特征，显示了星际间物质扩散的高效性，为人类理解行星系统的形成和演化提供了关键线索。奥陌陌国际空间科学研究团队共同负责人马修·奈特（Matthew Knight）也认为这项出色的研究“用一个单独的模型就得以解释奥陌陌一系列与众不同的特性”，令人印象深刻。时隔一个多月，拉夫林和他在耶鲁大学的学生、目前在芝加哥大学担任博士后研究员的达瑞尔·塞利格曼（Darryl Seligman）在预印本网站arXiv上发布了一篇论文，给出了另一种不同的解释。他们的论文正式发表在《天体物理杂志快报》（Astrophysical Journal Letters）上。在他们看来，奥陌陌其实就是一个巨大的氢分子冰山。 在这篇论文中，他们通过重建奥陌陌的轨迹以及它在飞行过程中的受力情况发现，水冰被阳光加热后喷射到太空中产生的推力太小，不足以解释奥陌陌的加速，而其他类型的冰则可能产生足以解释加速现象的喷射，其中最有效的就是氢。这就需要奥陌陌中的氢此前也是以固体的形式存在。 二人进而提出，像奥陌陌这样的氢冰块最初诞生在星际分子云内部。这些由气体和尘埃组成的分子云的质量可达数万个太阳的质量，跨度达到数百光年。氢是宇宙中最常见的元素，但是氢极少以固体的形式存在，因为氢要在极低的温度下才能结成氢冰，这个温度大约为6K，也就是大约-267℃。而在这些黑暗的分子云的中心，尚没有恒星形成，可以免受恒星发出的辐射的影响，因此温度可以冷却到仅比绝对零度高出几度，这样的低温足以使氢结冰。同时这些结冰的粒子附着在星际尘埃的小颗粒上，经过数千年的时间可以形成奥陌陌这个尺寸的天体。 拉夫林和塞利格曼认为这个理论可以解释奥陌陌的加速行为以及它奇怪的细长条状。他们的计算表明，奥陌陌的形成时间不超过1亿年，在靠近太阳的过程中因为受热磨损而变成现在的形状，这就像是一块肥皂经过多次使用之后变成长条状一样。 天文学家对星际分子云充满兴趣。星际分子云内部存在原恒星核，是孕育恒星的场所。但由于被厚厚的星际气体和尘埃所包裹，天文学家无法使用光学手段探测内部区域。不过，射电天文学家已经在分子云内部探测到被认为是生命演化必需物质的有机分子，包括甲醇和乙醛。因此，研究星际分子云对我们理解生命的起源和演化有着重要的意义。 如果他们的解释正确，奥陌陌这样的天体就为天文学家提供了一个直接了解星际分子云内部情况的机会。拉夫林在耶鲁大学官网上表示：“这些由氢组成的冰山状天体的存在，使我们能够对形成恒星的气体云的内部条件进行准确的探测；同时，天文学家对恒星和与之相伴的行星的诞生过程的早期阶段仍然不甚了解，这些氢分子冰山为他们理解这个阶段提供了关键的新线索。” 到目前为止，围绕在奥陌陌身上的谜团尚未完全解开。而且，奥陌陌已经永远消失在我们的视线里，天文学家提出的种种理论都无法在它身上进行验证。奥陌陌之后，除去行为符合预期的2I/Borisov彗星外，天文学家尚未发现新的星际天体，也就无法进行有针对性的观测。所以，天文学家目前能做的更多是基于现有数据的模拟和猜测。 不过，随着下一代探测设备的建设和投入使用，他们将有机会发现更多的星际天体，从而加深对这类天体的性质的理解，并且对现有的理论进行验证。例如，欧洲航天局正在开发彗星拦截器（Comet Interceptor），这台设备将被放置在地球附近的太空中，未来如果有星际天体飞越太阳的话，它就可以对这些天体进行访问并收集数据。同时，正在智利建设的薇拉·鲁宾天文台（Vera Rubin Observatory）将于2022年正式投入使用，它将有能力探测到极暗的天体，帮助天文学家寻找隐匿在深空中的系外来客。因此，我们也许不用等待太久，就可以见证下一个奥陌陌的到来。 南方周末特约撰稿 鞠强