黃金太陽2職業(黃金太陽2職業攻略)

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人類對于太陽的崇拜和探索從未停止過。研究太陽是對人類自身和人類家園的一種探索，對于太陽物理而言，研究太陽的內部對人類科學技術發展以及現實生活有著重要的啟發意義。人類研究太陽的歷史進程是怎樣的？什么是太陽磁場和太陽活動？我們為什么要研究太陽？

出品：格致論道講壇

以下內容為中科院院士汪景琇演講實錄：

大家好，我是中國科學院大學和中國科學院國家天文臺的汪景琇，是一名從事太陽研究的天文工作者。我想從太陽研究說起，和大家一起回顧一下那悠長、艱難又輝煌的探索歷程。

人類對太陽的崇拜和探索從來沒有停止過。在兩千三百多年前，偉大詩人屈原在他的著名詩篇中提出了許多問題，包括宇宙早期如何由混沌變為有序、宇宙的結構、時間的劃分、日月的歸屬、恒星的分類以及太陽運行的特征、太陽從升到降到底走了多少里。這些問題當中有一些跟現代自然科學有很緊密的關系。

比如為什么給太陽趕車的車夫羲和的鞭子還沒有揚起來，也就是太陽還沒有升起時，卻能在西北若華林上空看到光彩？這顯然是指今天人類所觀測到極光現象。他還提出了“何所冬暖，何所夏寒”，也就是為什么會出現冬天暖和、夏天寒冷的氣侯異常。這些問題都引起了我們的深思。

從太陽研究中探尋宇宙奧義

講到太陽和天文學，我們不能不回到哥白尼開啟的天文學革命。

▲哥白尼開始的天文學革命

哥白尼否定了神學所依賴的地心說，把科學從神學的桎梏下解放出來，從此人類開始了偉大的科學探索。

在后來的兩個世紀里，第谷對太陽系行星運動做了極為詳盡的目視觀測；開普勒借助他的觀測總結出了行星運動的三大定律；伽利略是第一個開始用望遠鏡觀測太陽系天體的人，同時他又進行了自由落體等科學實驗；集大成者是艾薩克牛頓，他總結行星運動的三大定律提出了萬有引力定律，另外又建立了牛頓力學。他和萊布尼茨等其他學者一起發展了微積分，拉開了現代科學和工業革命的序幕。

哥白尼開始的天文學革命一直持續到了今天。

▲太陽系(天體物理)

在被發現的數以千計的太陽系外的恒星和行星系統中，我們的太陽和太陽系無非是其中最早被知道的一個而已，它甚至于談不上是一個典型的例子。

天文學的進步使人類接近這樣一個古老問題的答案：人類在宇宙中是否孤獨？我們的系外鄰居在哪里？我們必須謙恭而深刻地思考：地外的生命到底在什么地方？

所以，太陽、恒星和它的行星系統是如何形成、如何發展、如何孕育了智慧的生命、到哪里去尋找地外生命宜居的行星系統？這些成為了當代天文學非常重要的課題。

那么為什么要研究太陽呢？研究太陽實際上是對人類自身和人類家園的一種探索。

太陽物理在對太陽內部的研究當中，有很多事情會對人類科學技術發展和現實生活有重要的啟發。比如太陽的能源是什么？為什么太陽會提供源源不斷的能源？這就使得人類開始了發展人造小太陽的努力，也就是在地球上進行受控熱核反應，來提供源源不斷的清潔能源。

對太陽大氣和太陽活動的研究很重要，因為它控制了人類的生存環境。而研究太陽對地球、太陽系天體和整個太陽系的影響，對我們理解恒星和行星的相互作用，以及宇宙中生命的產生有重要的意義。

▲描述恒星光譜類型和恒星亮度關系的赫羅圖（Hertzsprung–RussellDiagram）

太陽只不過是銀河系幾千億顆的恒星中普通的一顆。這是二十世紀初兩位學者發展的赫羅圖，它的橫軸是恒星的光譜型，縱軸是恒星的絕對亮度。如果在這樣一張圖上把所有恒星點起來，會看到中間是一個主序恒星帶。我們的太陽正好是一個主序恒星，它是橘黃色的，光譜型是G2V。正是因為它的普通，我們對它的研究就顯得格外重要。

我們就生活在太陽所控制的一個太陽系內，空間物理學者喜歡把太陽系稱為日球。太陽用它的能量粒子太陽風在銀河系的空間中劃出一個空腔，在這里有八大行星、五大矮行星還有小行星帶和柯伊柏帶等等。這就是太陽系，是我們美麗的家園。

▲日球（Heliosphere）

從太陽風的影響來看，它大概能一直持續到120個日地距離或者說天文單位（AstronomicalUnit，AU）。從天體物理學的角度來看，太陽的引力影響大概是23萬個日地距離，會更大一些。

太陽究竟是一個怎樣的存在？

我們如何理解太陽研究？太陽到底是怎樣一個恒星？

我們說它很普通，但是它又很特殊，甚至具有唯一性。

由于它離地球最近，所以它是唯一一顆可以進行高時間、高空間和高光譜分辨率觀測的恒星。同時，由于它的光度足夠強，所以它的偏振信號也就是磁場信號可以被測量。從高時間分辨率來看，太陽在一毫秒之內的變化幾乎都可以被觀測到。另外，它是唯一一個可以對太陽風、地球空間甚至對行星際空間、外行星進行原位探測（in-situmeasurements）的恒星。所以在某種意義上，太陽物理學又可以叫做原位的天體物理學。

同時，太陽系也是銀河系內唯一創造了智慧生命的恒星系統，所以對太陽系的研究相當于是對人類自身和人類生活環境的研究。

太陽控制著人類的生存環境，我們可以看到，太陽與地球之間有著穩定的聯系，這個穩定的聯系是通過太陽的電磁輻射，也就是各個波長的光還有高速太陽風的能量粒子流建立起來的。

▲太陽與地球的聯系和太陽的爆發

太陽還經常會發生一些劇烈的爆發活動現象，包括太陽耀斑、日冕物質拋射，還有高能粒子暴。這些是太陽的瞬變過程，它對人類的環境也產生了很重要的影響。

▲地球磁層屏蔽太陽高能粒子保護地球

這些劇烈的活動沒有傷害到人類的一個重要原因是，地球用一個很強、很厚的磁層把自己保護起來了。這里有磁層頂、磁尾，太陽風和磁層頂之間形成了弓激波，它把太陽的高能粒子屏蔽在外，讓它不至于進入到地球空間。除了從磁尾通過地球極區進入地球大氣的高能粒子之外，其他的地方都是安全的。人類得以生存跟這有很大的關系。

現在我們來回顧一下人類歷史上對于太陽的研究。

中國人的祖先在四千多年前就觀測了日全食，在兩千多年前就有了目視黑子的正式的記錄。但是太陽的望遠鏡觀測是在1610年由意大利學者伽利略開始的。

這之后的200年，太陽物理也取得了很大的進步。德國物理學家夫瑯禾費發現了太陽的吸收光譜，使得我們能夠通過光譜的變化來研究太陽的結構和演化；同時，一位叫施瓦布的德國藥劑師發現了太陽黑子的11年周期；另外一個很重要的事件是業余天文愛好者英國的卡靈頓發現了太陽耀斑，找到了太陽和地球之間的聯系。這個事件對太陽研究的影響直到今天依然非常大。

20世紀也發生了一些標志性事件。比如加州理工學院的教授黑爾發現了太陽磁場，這是人類第一次在地球之外發現磁場；為了解釋太陽的磁場，著名學者、芝加哥大學的物理學教授帕克提出了太陽發電機的概念，預言了太陽風的存在；加州理工學院的學者萊頓等發現了太陽振蕩，提出了唯像的太陽發電機理論。

另外，著名學者戴維斯在1968年開始觀測太陽中微子，那時很多人都不理解，甚至有人問他：你觀測的到底是什么東西？他的文章也很難得到發表。但是最后中微子的發現使他得到了2002年的諾貝爾物理學獎。接著在1971年，日冕物質拋射被發現；在1994年，美國國家的十幾個部委和美國基金委、美國宇航局聯合提出了美國的國家空間天氣計劃，從此一個新的學科——空間天氣學發展起來。

進入21世紀，太陽物理又開始了一個新的黃金時代，有人說這是太陽物理的偉大的文藝復興。

2012年旅行者一號走出太陽系，這說明人類不僅在太陽系內進行探索，而且還走出太陽系，對星際空間進行探索；2018年，美國把一個以物理學家帕克命名的探測器發射到太空，它將在幾年的時間內逐漸地接近太陽，最后到太陽大氣中離太陽表面只有九個太陽半徑的地方去“觸摸”太陽。這讓我想起了屈原的詩歌里的一句話：“折若木以拂日兮，聊逍遙以相羊。”那個時候詩人屈原就要把若木林的枝葉摘下來去拂拭太陽。

這是人類對太陽研究的一個大致回顧。

太陽研究對整個物理學和天體物理學有重要貢獻，諾貝爾獎記述了這些偉大歷程。其中，恒星的產能理論獲得了1967年的諾貝爾物理學獎；基于對太陽活動的研究，科學家發展了宇宙磁流體力學，獲得了1970年的諾貝爾物理學獎；關于恒星晚期演化的理論也得益于對太陽的詳盡觀測，獲得了1983年的諾貝爾物理學獎；前面已經提到，在2002年，關于太陽中微子的觀測獲得了諾貝爾物理學獎；1995年發現太陽系外行星則獲得了2019年的諾貝爾物理學獎。

太陽物理中的精彩篇章

在太陽物理當中，最精彩的篇章是太陽磁場和太陽爆發。太陽磁場是如何產生的？它的結構、內稟性質、相互作用、復雜的拓撲結構是怎樣的？它如何通過磁能積累和爆發釋放產生太陽耀斑和強烈的太陽活動，進而影響和控制人類的生存環境，甚至促成了地球上生命的誕生？

2021年12月初，美國科學院發布了2023-2035年天文學和天體物理學的發展規劃，文中提到：“現代太陽物理研究，是要理解從內核到日球的整個太陽，其目的是提供對影響地球生命的磁場及與其相聯系的爆發現象的完整描述。”這就是我這里想集中討論的。

講到太陽磁場，我們不能不提到塞曼效應。塞曼是一位荷蘭的物理學家，他在1897年發現了塞曼效應：如果把發光的物體放到強磁場中，這時原子的發射光譜就會發生變化，它不再是一條，而是變成了三條或者多條。

▲塞曼（左），黑爾（右）

這種現象叫做塞曼效應。后來洛倫茲對它做了理論解釋。這是在物理學當中繼發現X射線之后的一個重大發現。塞曼效應的發現得到了1902年的諾貝爾物理學獎，在這之后的第6年，加州理工學院的創始人黑爾教授馬上就想到了如何用塞曼效應來測量太陽的磁場。

▲1908年黑爾基于塞曼效應的原理發現黑子強磁場

在上圖中我們可以看到，經過太陽黑子的光譜是一分為三的。黑爾教授根據塞曼效應計算了黑子的磁場強度，發現黑子本影的磁場強度可以到4000-5000高斯（即0.4-0.5個特斯拉）。這是人類第一次在地球之外發現了磁場。

黑爾是一位很傳奇的人物，他把加州理工學院從一個工藝職業學校變成了世界上最著名的大學之一。它每年的招生規模跟中國科學院大學差不多，也就是三四百個學生，但是在歷史上卻產生了幾十位諾貝爾獎獲得者。

黑爾的工作相當于第一次用物理學的方法研究一個天體對象，這樣，他就把天文學帶到了天體物理學，開啟了一個新的階段。甚至天體物理學“astrophysics”這個英文單詞也是他發明的。他還創辦了著名的《天體物理學報》（TheAstrophysicalJournal）。

太陽活動的基本形式就是太陽黑子，在上面的視頻中，日面上的太陽黑子很快展現為太陽磁場，正極表現為亮色的斑塊，負極表現的是暗色的斑塊。磁場結構非常復雜，我們看到的黑子不過是太陽的更復雜的磁場在太陽光球的展現。

這是基于剛才的磁場觀測，在一定的理論假定下計算的三維太陽磁場，我們可以看到太陽磁場有非常復雜的拓撲結構和全球范圍的連接性。

▲太陽磁場結構和演化極其復雜：太陽活動區磁場的浮現、演化和相互作用(YangLiuetal.2012)

太陽磁場的浮現也是一個非常劇烈的物理過程。這里黑子正極是藍色，負極是紅色，短線代表磁力線的走向。我們注意到這個黑子正負極的磁通量同時從日面上浮現出來，而且相反極性的磁場通過剪切、擠壓，孕育了大量的磁能，這些磁能會快速地釋放。

▲太陽活動區磁場的相互作用和磁能的釋放

在磁能快速釋放的地方，我們看到了硬X射線輻射。這種在局地區域內太陽的能量爆發式釋放過程被稱為太陽耀斑。太陽耀斑就是磁能在活動區積累和爆發式釋放的過程，所以它代表了宇宙中磁流體力學過程的一種很普遍的存在形式。

太陽大氣是由帶電的正離子和電子所組成，它是部分電離的，它受到磁場作用，呈現出了繽紛復雜的結構。上圖是我國云南天文臺撫仙湖所觀測到的太陽邊界的日珥現象，大家可以看到太陽的邊界與不停爆發的小尺度的針狀體。這種小尺度針狀體每一個都相當于一個噴流（jet）。我們還能看到飄逸而瀟灑的大尺度日珥和一些很奇怪的結構，比如日珥的底邊界。

這讓我想起了加州理工學院的Zirin教授，也是我在加州理工學院訪問合作時的合作導師，在他的名著《太陽的天體物理學》里的一句話：“像綠色的草場和原始的森林，太陽的米粒、黑子和高雅飄逸的日珥呈現著大自然純粹的美麗，給予那些致力于研究它的人們以美學的歡樂和科學的挑戰。”這就是天文學家所追求的。

▲太陽活動及其空間天氣效應

太陽活動及其空間天氣效應可以通過這個動畫展示出來：在太陽大氣內，由于磁能的積累，局部區域會有軟X射線爆發（視頻中表現為紅色）、硬X射線爆發（視頻中為藍色）和日冕物質拋射，日冕物質拋射到星際空間會變為磁云。

這個日冕儀的探測器表面出現了很多個雜亂的雪花暴。這里每一個雪花斑點，都是一股太陽的高能粒子轟擊在這個探測器上所留下的痕跡。

▲日冕物質拋射和磁云

如果我們把這個距離拉得更遠一點，我們可以看到，太陽在視場里不過是一個小小的斑點，但是它所拋出的磁云尺度卻非常大，差不多是幾十倍甚至成百倍的太陽的尺度。那么這些磁云是什么呢？

▲磁云由太陽磁場驅動并通過電磁相互作用影響地球環境

所謂磁云，就是一團扭纏在一起的磁力線（和磁場），帶著太陽的等離子體即太陽的完全或部分電離的物質拋向行星際空間。我在上圖兩側畫了扭纏的磁力線和磁環，這是從中圖里的兩個不同的宇宙飛船中看到的太陽和地球。日冕物質拋射和磁云可以轟擊地球的磁層，甚至在比較劇烈的日冕物質拋射中，磁云一直可以到太陽系的邊界，影響到太陽系的外行星系統。

大家可能還會問，太陽黑子只占太陽表面大概百分之一二的面積，那么沒有黑子地方是什么樣的呢？

▲Wangetal.，2012，SolarPhys.

這是太陽沒有黑子的地方的磁場和爆發現象，上邊是太陽的小尺度磁場，仍然是白色的代表正極，黑色代表負極。各位可以看到像這里最小的太陽磁結構，就相當于一二百公里，這是我和學生們觀測到的。

▲Tianetal.，2014，Science

這是太陽在遠紫外觀測到的一些小的爆發和噴流現象。即使所謂的寧靜太陽也存在著不寧靜的太陽活動現象。在沒有太陽黑子地方，太陽仍然充滿了磁場。我們看不見它，在某種意義上它好像是暗的，既是暗的物質，又是暗的能量。但是它卻驅動了各種小尺度的活動現象。

中國也會受到劇烈空間天氣的威脅

那么，太陽到底如何影響地球的環境呢？

▲太陽對近地環境和日球空間的影響

有三種不同的方式。這里有電磁輻射，也就是光，特別是紫外、遠紫外、X射線和伽瑪射線輻射；有高能粒子輻射；還有物質和磁通量拋射，就是我剛才提到的日冕物質拋射。

電磁輻射用8分鐘就可以到達地球，高能粒子輻射最快的大概十幾分鐘可以到達地球，慢的則需要用一兩天。物質拋射和磁云大概在2-4天的時候會與地球的磁層發生碰撞。

▲地月系統飛往火星和返回地球的航行面臨太陽高能粒子輻射危害

在太陽對地球環境的影響當中，還應該特別提到太陽的高能粒子暴。在地月系統，如果向火星或者更遠的深空發射飛行器，或者進行宇航飛行，我們經常會受到高能粒子的影響。對于地球上的觀測者，太陽的粒子輻射的半球在東經30°到西經150°，這就意味著即使是太陽西邊背面的爆發也會影響到宇航員所經過的路程。所以太陽的粒子暴的預報是保證宇航安全的一個很重要的方面。

下面我想回顧一下歷史上觀測到的最強的太陽爆發。它發生在1859年9月1日，被稱為卡靈頓事件。這是一個業余天文愛好者卡靈頓發現的，他每天用自己的天文臺進行黑子的觀測，在這天突然發現在黑子群里有兩個極亮的白斑，甚至看起來都刺眼。

他感到恐懼又不可理解，于是就跑到觀測室外，希望找一個朋友來證實他的發現。但是他走了一圈也沒有找到人，回來的時候這兩個白斑就逐漸地消失了。

他把這個事情寫成文章，投寄給了當時國際上唯一一個重要的天文學刊物《英國皇家學會月刊》（MonthlyNoticesoftheRoyalAstronomicalSocietyMNRAS）。這個刊物至今仍然存在，仍然是天文學界的一個旗艦刊物。

▲歷史上最強的太陽風暴：1859年9月1日的卡靈頓事件（Carrington,1859,MNRAS,20,13）

這是卡靈頓發表的一篇文章的插圖，兩個紅色箭頭指向他所觀測的兩個耀斑帶。這類耀斑被稱為白光耀斑，因為它不需要光譜觀測，用積分光即白光甚至肉眼都能夠看見。這個耀斑產生了非常強烈的日地物理效應，稍后我還會提到。

在這個事件當中，日冕物質拋射只花了18個小時就到達了地球，馬上就導致了地磁暴，倫敦的磁像儀就觀測到了地磁暴。當時無論是美國還是歐洲發達國家，最高級的高技術系統就是電報網絡。這件事情導致了全球的電報網絡崩潰，電報紙著火，電報員的手被灼傷。

美國科學院在2012年發表了一個報告：如果像卡靈頓這樣的事件發生在今天高技術的時代里，要是沒有做任何準備，就會使得美國由一個發達國家變為一個發展中國家，整個美國東部在一年內都會沒有電力供應。

這是當時歐洲人繪制的圖畫，有一幅油畫畫的就是消防隊員正趕到電報局去滅火。另外左下角這個是極光，從極區開始一直到赤道附近的薩爾多瓦都觀測到了極光現象。大家知道，極光只有在南北極才有，是高能粒子沿著地球的磁力線從極區流下的時候，使得中性大氣電離又復合后產生的一種絢麗的光學現象。

我聽說在我國的古籍里，有些地方志記錄了這個事件。那個時候應該是中國的咸豐九年，即清政府統治時期。

這樣強的太陽風暴大概多長時間才會出現一次呢？學者們從理論上估計，大概是500年發生一次。

▲百年最弱太陽周中最強太陽風暴：2012年7月23日卡靈頓類太陽風暴

但是，在2012年7月23日人類觀測到了另一次卡靈頓水平的強大太陽爆發。大家可能會問，為什么我們沒有感受到這次強大的太陽爆發的影響？從左下角的圖中可以看到，這次太陽爆發和日冕物質拋射是背離太陽而去的，耀斑的源區對地球而言是太陽的背面。

這次日冕物質拋射到達地球軌道只有15個小時，一點兒不比卡靈頓事件弱，所以當時這個事件發生之后再次對美國學術界產生了重要影響。美國著名的空間天氣預報學者塔斯（Toth）說：只有兩件事能使整個美國受到影響，一件是劇烈的空間天氣，一件是新冠疫情。

那么我國是否可以幸免呢？我國工程院在2014年給國務院發了一個報告，指出中國仍然會受到這種強烈的空間天氣影響。

上圖展示的是1989年3月13日加拿大魁北克省的變電系統的感生電流和變壓器被燒毀的情況，這個事件是這百年來最強的太陽風暴，使得整個魁北克省停電了9個小時，造成的電力損失是2000萬千瓦，直接的經濟損失是5億美元。實際的經濟損失要比這大很多，因為在魁北克省這樣一個高度發達的省份，停電9個小時的社會效應也是非常大的

由于我國電網的擴容、輸電網絡的擴大，再加上我們用的導線都是非常低的電阻，感生電流不會比魁北克省小。除此之外，中國的太空活動非常頻繁。在太空活動中，有1/3的衛星和發射故障都是由空間天氣引起的。所以我國也會受到劇烈的空間天氣的威脅，必須予以高度重視。

太陽也有其生命周期

太陽活動有自己的11年周期，還有一個22年的磁周期——南北極的磁場22年才會從正（負）極又恢復到正（負）極，才會重復一致。每一個22年周期中有2個11年的周期。

▲太陽活動周：11年太陽黑子周期和22年太陽磁周期

大家可以注意到剛剛結束的第24個太陽周，日面上出現黑子數就是中間這幅圖里所展示的，差不多是百年來最少的。從上面記錄黑子在日面上出現的位置和軌跡的蝴蝶圖也可以看到，兩個蝴蝶翅膀要小的多。綜合下面的磁圖可以看到，24太陽周以來磁場變得很弱，這種現象也引起了太陽和恒星物理學家的注意。

如果太陽活動持續低迷也會帶來很多復雜的氣侯問題，比如厄爾尼諾現象和拉尼娜現象，還會導致空間里的垃圾大量堆積。所以對于這種現象，我們也要進行研究。

為了理解太陽磁場是如何產生、演化的，就必須了解太陽的內部結構。而太陽是不透明的，我們沒法直接觀測太陽內部，所以唯一的做法是通過日震學的方法觀測。

這個視頻展示的不是動畫，而是對太陽表面的速度場進行解讀之后做出來的太陽振蕩的情景。太陽五分鐘振蕩代表聲波模的振蕩，就是以壓強作為恢復力的太陽震蕩；還有一種振蕩是太陽引力波導致的引力波模振蕩，由于這個振蕩的振幅非常小，直到現在還沒有被觀測到。

▲近年天體生物學得到迅速的發展

太陽的一些劇烈活動對地球上生命的出現起了催化作用，四十億年前非常劇烈的太陽活動，比如頻繁的強X射線輻射和伽瑪射線輻射催生了地球巖石圈中有機分子的產生，由此催生了地球上的生命。

▲太陽的生命周期

現在太陽已經在主序帶上走了46億年，還有50億年的路要走。到那個時候，太陽將成為紅巨星，它的外殼會爆炸掉成為行星狀星云，內部成為一顆白矮星。

這是太陽的生命周期，所以我們要理解，太陽也像其他的一切事物一樣，有生、有死，有生命周期。

探索宜居的世界

近十幾年來，系外行星的發現使我們了解到，宇宙空間中有許許多多的像太陽和地球一樣的恒星和行星系統。尋找生命宜居的行星系統幾乎成為了未來十年天文學家的最重要的任務，美國科學院在未來十年規劃里也把它作為最重要的任務：通過找到太陽、恒星和環繞它們的世界之間的相互聯系，從而去尋找宇宙中生命宜居的地方。

▲恒星系統類地生命宜居帶和天體生物學

在過去十多年來，任何一個恒星都有一個生命宜居帶這一發現是很重要的成果。我們可以看到不同類型、不同表面溫度的恒星，都有用綠色來表示的生命宜居帶。太陽屬于G2V型的恒星，地球正好在它的生命宜居帶內。

▲太陽和日球（sun&heliosphere）

大家在這張圖中看到的是太陽和日球，我們把它叫做Sun&Heliosphere。這里可以看到旅行者一號和二號已經飛出了太陽系，正在星際空間和太陽系空間的激波面附近，它還要在星際空間旅行。由于核電池的限制，它只能工作到2027年前后，還會在星際空間里繼續工作多年，還會源源不斷地傳回數據供科學家們使用。

▲恒星和天球（star&astrosphere）

這是用哈勃望遠鏡觀測的另外兩顆恒星LLOrionis和BZCam的“日球系統”。對恒星來說，是恒星和天球（star&astrosphere）與太陽和日球（sun&heliosphere）都是一樣的，只不過一個是對恒星而言，一個是對我們的太陽而言。

哈勃望遠鏡觀測到了Mira——一個紅巨星是如何攜帶著它的子民、它的“太陽系”在宇宙空間穿行的。我們看到了前面弓激波的激波面，也看到了背景的恒星和星系，還有些快速移動的天體對象，讓人感覺非常壯觀，太陽系確實不孤獨。

▲發現和理解系外行星的性質（Liu&Ji，RAA2020）

到現在為止，人類已經觀測到了大概4800多個系外行星系統，這是它們的分布。有巖石類的行星，一般都比較小；還有超級地球，它是我們更關心的；還有“溫暖的海王星系統”——跟海王星大小差不多、但是溫度比較高；還有冷木星、熱木星以及一些周期非常短的、奇怪的行星系統。

但是究竟哪些行星系統是更宜居的呢？學者們正在做這類的研究。我的想法是，我國學者和天文愛好者們要積極參與國際的系外行星系統的搜索，同時，中國要發展自己的宜居世界的搜索計劃。

▲高中生發現環繞類太陽恒星TOI-1233的4顆內行星

這里展示的是恒星TOI-1233的4顆內行星，其中1顆屬于超級地球。這是美國一個16歲和一個18歲的中學生使用公共發布在TESS網上數據的發現。他們的文章就發表在黑爾創辦的著名的《天體物理雜志》上。學術界認為他們是迄今所知道的最年輕的天文學家。我們國家的學生一點都不比他們差，所以也應該做出自己的發現。

另外我想向大家分享的是，我們不僅在太陽系外有系外行星系統，而且在銀河系外，第一個行星系統也已經被發現了。

▲人類發現第一顆銀河系外行星（NatureAstron2021）

這是剛剛發現的銀河系外的一個行星系統，發布在著名期刊《自然天文學》（NatureAstronomy）上。

一場即將到來的太陽觀測盛宴

現在太陽物理研究有著重大機遇，正如我在開始時講到的，太陽和恒星物理正在經歷文藝復興的黃金時代。

▲重大的科學機遇

上圖左邊的太陽的軌道器（SolarOrbiter），是歐美發射的一個大橢圓軌道衛星。它一次一次地接近太陽，最后大概要在天球高度20-30度的地方飛越極區，首次實現對極區的成像觀測。中間是一個4米的地面太陽望遠鏡（DKIST），用來觀測太陽顯微結構。右圖屬于帕克太陽探針，要送到離太陽表面只有9個太陽半徑的地方，大概耗資13億美元。從2018年發射到現在，它已經繞了太陽好幾圈，大概將在2024年前后到達離太陽最近的地方。

▲PSP和SolarOrbiter協同觀測：Rouillard等（2020）

所以我們期待在2024年，帕克探針和太陽軌道在最接近太陽的地方實測原位的探測。在L1點那個日地連線位置也可以同時進行觀測。在2006年前后發射的日地關系天文臺的STEREO-A也會有觀測。此外，屆時我們國家的第一個太陽衛星——先進天基太陽天文臺也將在軌參與這個聯合觀測。

所以2024年會有一個太陽觀測的盛宴，我們無比期待這一天能盡快到來。

▲2022年我國將發射先進天基太陽天文臺（ASOS）

這就是我國的先進天基太陽天文臺，載荷有全日面太陽矢量磁像儀。在太陽矢量磁場測量上，中國曾經在20世紀90年代領先世界，那時我國地面的太陽磁場望遠鏡為太陽物理做出了很重要的貢獻。但是空間上我們還沒有上去過，所以在這個先進天基天文臺將會開展空間的太陽矢量磁場測量。還有在人類歷史上第一次用氫的共振譜線，也就是萊曼阿爾法譜線來進行光譜成像觀測和日冕儀的觀測。另外還有硬X射線成像望遠鏡。這臺天基太陽望遠鏡已經準備就緒，會在2022年的春季擇時發射。

永無止境的科學探索

在結束演講之前，我還想跟各位年輕的朋友稍稍講一點天文學。

我在1978成為研究生步入天文領域的時候，我的導師王綬琯先生一直在教導我們天文學是觀測的科學。

是的，天文學是觀測發現所驅動的科學，它非常前沿。從小行星研究到太陽研究，太陽系外的行星系統的研究，銀河系、星系的研究，甚至到整個宇宙的研究，它的前沿是非常廣泛的，無論在哪一個分支都有非常前沿的問題要做。

它很真實，它通過觀測來觸摸宇宙跳動的脈搏和理解它的美麗。

它非常神秘，它把物理的真實隱藏在繽紛復雜的現象背后。

它還非常深刻，因為它涉及到宇宙、物質和生命的起源。

它的全部真諦是通過觀測發現科學規律。現在天體化學、天體生物學都得到了很大的發展，它們都是天文學中不可分割的一部分。

除此之外，正如Zirin教授所言，天文學還帶給觀測者們與從事它的研究的人以美學的歡樂和科學的挑戰。

除了觀測之外，天文學離不開科學的思維和理論的計算。1873年，當太陽磁場還沒發現的時候，我們的革命導師恩格斯就說：“太陽的光和熱一定會在某種程度上轉化為電和磁。”他已經預言了太陽上會有電場和磁場。

一個并不做太陽物理和天文學研究的哲學家、政治經濟學家卻能從哲學的高度預言太陽磁場、太陽電磁場的存在。他教導我們：“現在甚至連最沒有思想的經驗主義者離開理論自然科學也不能前進一步；但是在理論自然科學中，我們往往不得不計算不完全知道的量，而在任何時候都必須用思想的首尾一慣性去幫助還不充分的知識。”

他有一句話令人印象深刻，他說：“一個民族要想站在科學的高峰，就一刻也不能沒有理論的思維。”這對中國天文學與其他許多自然科學領域都是非常重要的。

除了觀測之外，天文學也像物理學一樣開始了實驗室的科學實驗。其中國際上最有名的，比如普林斯頓大學和加州理工學院的實驗室都已經有所成就。在我國，上海光機所、上海交大、北京大學、中國科大都建立實驗室開展天體物理學模擬。

這是黎明中的珠峰，是我在珠穆朗瑪峰腳下拍攝的。另外畫面中間有一個絨布寺，這是西藏很早的一個寺院。所以我們看到了地球的最高峰，也看到了人類文明的痕跡。

▲太陽系最高峰-奧利帕斯山

但是，正如“峰外依舊峰”，地球上的最高峰并不是太陽系的最高峰。太陽系的最高峰是火星上的奧利帕斯山，它大概拔地22-27公里。這給了我們一個啟發：攀登科學的高峰與對科學的探索是沒有盡頭的，所以人類對科學的探索永無止境。

各位青少年朋友要永葆對科學的探索精神和你們的好奇心，要理解我們的家園、理解宇宙的美麗，為了報效祖國、服務人民和奉獻人類社會而攀登科學的高峰。

我今天的演講就到這里，謝謝！

“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力于非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多信息。本文出品自“格致論道講壇”公眾號（SELFtalks），轉載請注明公眾號出處，未經授權不得轉載。

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