Current situation and prospect of solar magnetic field exploration

太阳大气是一个巨大的磁等离子体，其间的一切现象和过程都和磁场相互作用密不可分，当今太阳物理的重大成就和主要困难都与太阳磁场的观测及理论研究有关。同时，太阳磁场通过其开放的磁力线结构，将其影响延伸到地球空间乃至太阳系边界，太阳磁相互作用导致的剧烈活动如耀斑和日冕物质抛射(CME)会借助这个磁场环境对人类社会，特别是航空航天、导航通讯等高科技领域以及输油输电等国民经济系统产生灾害性影响。因此太阳磁场的观测研究不仅具有重要的科学意义，同时也具有重要的社会意义。

太阳磁场测量迄今已有110多年的历史，随着观测手段的不断改善，取得了诸多突破性进展。同时，借鉴太阳物理的成功经验，天文学家在恒星磁场、银河系磁场测量方面也取得了重大进展。尽管如此，由于观测方法和技术手段的限制，在太阳物理、恒星物理以及空间物理中，仍然存在与磁场相关的诸多重大科学难题，例如被《Science》列为125个重大科学难题之一的太阳和恒星磁活动周起源、困扰了天体物理学家数十年的日冕加热问题、以及和人类高科技活动密切相关的磁能在灾害性空间天气事件中的积累和释放的机制问题等^[1]。

天文学是一门极度依赖于观测的科学，要攻克上述科学难题，不但需要理论研究的不断深入和拓展、现有观测资料的不断积累，更需要新的技术方法的介入从而提供更精细更丰富的观测信息。基于这个目的，笔者试图通过对太阳磁场测量历史的回顾、现状的分析，从而思考太阳磁场观测未来可能取得突破的方向。

1908年，美国科学家Hale^[2]首次测得太阳黑子磁场，从而开创了天体磁场测量的先河。此后的近50年时间中，磁场测量基本沿着Hale的仪器思路缓慢完善和发展，直到1953年Babcock才突破只能测量太阳强磁场的桎梏，实现了太阳弱磁场的观测，发现太阳极区也存在磁场。随后，1962年Severny首次测量了太阳矢量磁场（在此之前都只能测量视向磁场分量）。以上这些测量都有一个共同的特点或缺陷，即将观测对象当做点源来观测，不能成像，也无所谓空间分辨率。

但众所周知，太阳是人类唯一可以进行精细观测的恒星样本，高空间分辨率的成像观测是太阳物理的首要追求，因此仅仅将太阳观测目标当成一个点来观测显然无法满足太阳物理研究需求。基于这一目的，Livingston等利用线阵探测器，通过光谱仪的狭缝扫描获得二维图像，首次实现了太阳磁场的成像观测。与此同时，利用Lyot和Ohman发明的双折射滤光器原理，Beckers、Ramsey等发明了在单波段上实现太阳磁场快速成像观测的视频矢量磁像仪，这个概念一经提出即广受追捧，在随后的数十年间得到迅猛发展^[3]。

不过，磁场测量设备发展到此，天文学家仍然不满足，因为无论是Livingston所用的设备（以下简称光谱仪型磁场测量设备），还是Beckers等的发明（以下简称滤光器型设备）都有自身的局限：光谱仪型设备通过其所获得的完整光谱信息，可以获得观测对象的温度、速度、密度等丰富的物理信息，但这类设备观测的是沿着光谱仪狭缝方向的线源信息，需要通过狭缝的空间扫描成像，这个过程消耗的时间很长，其观测资料在研究太阳结构演化等方面受到极大制约；滤光器型设备则相反，可以快速成像，但其只能在一个光谱点上获得信息，因此所能诊断的物理信息较少，无法满足观测者的多方位需求^[3]。图1是太阳结构示意图，其中的光球（photosphere）、色球（chromosphere）、日冕（corona）构成了可被人类直接观测的太阳大气。因此，太阳物理界一直期待一种可以同时成谱成像设备的出现（或曰谱像一体化设备）。可惜迄今为止，这类设备发展缓慢。其中，比较成功的尝试有法国学者Mein提出的“多通道相减式双透过光谱仪”，在法意合作的THEMIS望远镜上得到应用、中国学者艾国祥等提出的“多通道双折射滤光器”^[4]，在国家天文台怀柔太阳观测基地得到应用。但由于技术复杂度太高，目前这两种设备都只是有限地实现了同时成谱成像的目的，要想完全达到太阳物理学家的需求尚有很长的路要走。当然，在这一领域还有一个值得期待的方向，即利用光纤光谱仪实现谱像一体化，理论上来说，这是一种更完善的方案，但目前尚有诸多关键技术有待攻克，例如如何提高空间分辨率、如何提高填充因子、如何应对光纤对磁场信息的衰减和串扰等等。国内学者在这方面已经开展了多年的探索，期待不久的将来能在这个术方向率先取得突破^[5]。

Figure 1.  Schematic diagram of solar structure

国内在太阳磁场及磁活动相关研究领域始于现安置于国家天文台怀柔太阳观测基地的太阳磁场望远镜（SMFT）。SMFT于1986年投入使用，由于其先进的设计理念，使得在其后的短短数年间就成为了国际最顶尖的三台磁场观测设备之一（另外两台在美国）（图2展示了SMFT观测到的一个活动区矢量磁场的演化）。利用这些观测资料，国内学者及其国内外合作者在诸多重要课题研究中取得了重要进展，例如：利用SMFT的特有观测能力，首次研究了色球速度场与耀斑位置的关系；首次基于观测数据分析了磁场结构从光球到色球的变化；首次系统提出了磁非势性在活动区中的演化及其作用；利用怀柔基地长期的资料积累，在磁螺度的统计研究和理论研究方面引领潮流；通过特别的观测设计，首次开展了太阳极区矢量磁场测量，基于矢量磁场观测数据发展起来的无力场外推模型和三维空间的磁螺度计算模型，成为太阳物理教科书中的代表性方法之一。

Figure 2.  An evolution series of photospheric magnetogram of NOAA 9077 obtained by SMFT

2018年，“先进天基太阳天文台”(ASO-S)工程研制正式启动。ASO-S是国内第一颗太阳观测卫星（见图3），由中国科学院空间科学先导专项支持，计划2021年底发射，目前工程研制处于初样转正样阶段。其上搭载的全日面矢量磁像仪FMG，与HMI和PHI大致相仿，但具有相对更好的磁场测量精度。ASO-S的载荷配置，有望在理解太阳剧烈活动现象如耀斑和日冕物质抛射的磁相互作用机理等前沿研究上获得突破。

Figure 3.  China’s first solar observation satellite to be launched-Advanced Space based Solar Observatory (ASO-S)^[7]

从1990年代开始，欧洲、美国、日本陆续发射了用于观测太阳磁场的空间卫星。空间观测对天文学而言有着无与伦比的优越性，除了可以克服地基观测分辨率与精度的冲突以外，还具有连续、稳定、全波段等地基观测不可企及的优势。因此空间太阳磁场观测虽然面临极大的技术挑战，但人类仍然在这一方向不断前进，并取得了瞩目成果。

SOHO卫星是人类真正意义上的第一个空间太阳磁场观测设备，在此之前也有一些空间探测器获得过关于太阳磁场的结果，比如Ulysess等，但这些成果都是从其它观测量或原位探测(in situ)数据推断的结果，不是对太阳磁场的直接观测。

SOHO搭载了太阳速度场和磁场的观测仪器---迈克尔逊多普勒成像仪(Michelson Doppler Imager，MDI)，基于其不间断测量数据，利用日震学方法揭示了太阳内部的较差自转结构与平均场发电机模型的预测不一致，对太阳物理的核心问题—太阳发电机问题提出了巨大的挑战。在此基础上成型的输运发电机模型，革命性地提出了太阳磁场形成的新理论。

不过MDI仅有视向磁场观测，没有矢量磁场测量，且时间、空间分辨率都很低，所以虽然在有关太阳活动周这一重大科学问题上取得了重要进展，但对于太阳磁场内秉性质、太阳爆发式活动现象中的磁能释放机制等重大问题的研究并未能提供足够的观测资料。

Hinode卫星（“日出”卫星）在世界上首次用50 cm光学望远镜进行空间太阳光学和磁场观测，给出了太阳磁场的高分辨率图像。其上搭载了两种磁场测量的仪器，其一是基于窄带滤光器的NFI，另一是基于光谱仪的斯托克斯参数仪SP。不过由于技术原因，NFI上天后不久即出现不可逆故障从而导致无法正常开展磁场观测。

Hinode/SP取得了一些重要的科学成果，例如：发现极区磁场呈千高斯量级、发现光球磁场精细结构呈水平结构以及对流塌缩、发现太阳针状体的阿尔芬波结构、发现黑子纤维冲浪和缠绕运动、发现太阳耀斑触发过程的细节等。图4展示了SP观测到的太阳宁静区的高分辨率磁场^[8]。

Figure 4.  (a) Longitudinal magnetic field with high spatial resolution obtained by Hinode/SP; (b) Strong transverse magnetic field

Hinode卫星是世界上第一次在空间开展太阳矢量磁场观测的卫星，有巨大成功，也有失败的遗憾。此外，SP虽然提供了大量高质量数据，但它依靠光栅狭缝扫描从而获得磁场图像的工作模式使其时间分辨率很低，这与主光学望远镜高分辨率下磁场的特征演化时间不匹配，极大限制了对于高分辨率磁场的演化研究，对于小尺度磁场局部发电机过程的贡献有限。

现在空间矢量磁场观测的主角是SDO卫星上搭载的HMI （Helioseismic and Magnetic Imager)。HMI实现了全日面太阳矢量磁场的首次空间观测（见图5），从而能够精细研究太阳磁场和爆发活动的相关性，对小尺度磁活动现象（例如喷流）找到其源头及演化特征；利用非线性无力场模型可以获得日冕的矢量磁场结构；发现了与23太阳活动周半球螺度法则的差异；在利用其对速度场和磁场的研究中发现其内部的流场分布特征出现了多层结构与输运发电模型依赖的单层结构产生了明显的差异，对太阳发电机模型产生了更大的挑战。

Figure 5.  Photospheric vector magnetograms of NOAA 11158 obtained by SDO/HMI and images obtained by the vector magnetic field^[9]. (a) Longitudinal magnetogram of NOAA 11158; (b) Vector magnetogram of the region marked by the yellow rectangle in Fig.(a); (c) Magnetic field lines induced by NLFFF model based on observed vector magnetic filed; (d) Current density image of NOAA 11158 obtained by the vector magnetic field

SDO/HMI的口径与SOHO/MDI的望远镜的口径相当，在宁静区的矢量磁场数据的使用中面临着巨大的挑战，因为其磁场测量精度方面远不如Hinode/SP，甚至也不如地基太阳磁场望远镜的最佳数据。

在当今太阳物理的重大科学难题中，以太阳发电机、纤维化辐射磁对流和日冕加热最具挑战性，而这些问题无一不与太阳磁场密切相关，再加上太阳和空间物理共同关心的灾害性空间天气因果链中磁能的传输、积累和释放问题，使得太阳磁场成为了太阳物理的“第一观测量”，无论是过去、现在还是将来，太阳磁场探测都将是本领域的最前沿。

当然，这些重大科学难题的存在有多方面的原因，但观测手段的不足无疑是其中的主因之一。以下笔者简要分析了磁场探测能力的相关方面。

太阳发电机问题，也即太阳磁活动周起源问题：在日趋完善的太阳发电机模型中，太阳极区磁场和流场是模型完整拼图中缺失的一环，例如用日震学方法得到的60°以上的较差自转（流场）信号即已不可信^[10]。目前人类对太阳极区磁场的成像观测都是在黄道面上开展的，由于投影效应和临边昏暗等因素，观测的分辨率、灵敏度都极低，因此，虽然人类从1950年就开始了极区磁场的观测，而且观测能力不断提升，但到现在为止，所有观测都远远不能满足研究需求。近期发射的SO，最值得期待的是其对太阳极区的探测能力，但值得注意的是，SO的轨道偏离黄道面的角度为20多度（在任务末期可能达到30°多一点），对极区观测而言，这样的角度显然远远不够！一个高轨道倾角、短周期、具备高精度磁场探测能力的太阳极轨探测器才可能对太阳发电机问题带来突破性的贡献。

对太阳大气纤维化辐射磁对流过程的认识，观测方面目前最大的不足就是对太阳磁场基本结构的探测能力。在关于太阳磁场基本结构的“磁流管”（fluxtube）模型中，磁场的空间尺度由太阳大气的平均光子自由程所确定，物理尺度在100 km以下，大约相当于地基0.1″ 空间分辨率（约75 km）所对应的尺度。另一方面，虽然早期的磁流管模型认为离散的磁流管磁场都很强，在千高斯以上，但随着观测研究的深入，越来越多的证据显示太阳磁场强度分布是多样化的，弱磁场结构不容忽视^[11]。高分辨率和高灵敏度的磁场探测是目前面临的巨大挑战，简单而言，目前地基太阳望远镜的空间分辨率已经达到0.1″的尺度，但在此分辨能力下，磁场测量精度却尚无法达到；反之，也有办法可以获得极高的磁场测量精度，但此时空间分辨率无法满足需求。针对纤维化辐射磁对流这一科学难题，空间大口径光学望远镜是终极解决方案。

太阳大气从底层的光球到高层的色球，再到外部的日冕，温度逐次升高，这种反常的温度分布形成机制，即所谓的日冕加热问题，是天体物理中长期悬而未决的难题。太阳大气是一个有机整体，其间的物理过程相互关联，无论哪种理论，要最终理解日冕加热难题，需要对不同大气层次的磁场进行精确测量，构筑完整的三维磁大气模型。但遗憾的是，由于日冕的光学薄特性，日冕磁场测量极具挑战性，红外、射电方法虽有进展，仍未成熟^[12]。因此，目前人类尚不能对日冕磁场进行高精度的测量和诊断，对色球磁场的测量水平也差强人意。相对于有成熟磁场测量手段的光球而言，日冕的物理环境非常不同，信号也更弱。因此，针对日冕加热难题，太阳磁场测量的发展方向可能需要寻找新的磁场测量理论并发展相应的技术方法。日冕中，紫外、极紫外辐射甚为显著，也已经形成了很好的成像观测技术，在此基础上如何实现偏振测量从而诊断日冕磁场，将是未来的方向。而由于地球大气的存在，紫外观测只能借助空间平台实现。

灾害性空间天气中磁能的传输、积累和释放，同日冕加热问题一样，核心还是各层次物理过程的耦合，只是该难题涉及的尺度更广，太阳光球、色球、日冕只是这个过程的发源地，广阔的日地空间、近地空间的电磁相互作用过程都是需要监测的对象（如图6所示）。目前，人类极度缺乏有关这个因果链的完整图像，要想实现这类观测，需要覆盖全波段、全时段、全日地空间尺度的复杂监测网络，而这也只有空基观测才可能实现。

Figure 6.  Magnetic structure of the sun and solar-terrestrial space

综上所述，无论是在太阳磁场的观测研究，还是相关设备的研制方面，国内均有很好的基础和国际先进地位。有鉴于此，展望未来，笔者认为首先应该瞄准“大的”科学问题和工程项目，加入到国际最前沿的竞争行列；与此同时，也应该抓住一些“小的”机遇，实现重点突破。

(1) 太阳极轨探测器

大的科学和工程问题中，太阳极轨探测器无疑是最具科学意义的项目。在美国通过Parker Solar Probe（PSP）实现了进入太阳大气层的观测、欧洲发射Solar Orbitor实现偏离黄道面的观测（准确的描述应该是：小角度偏离+抵近）之后，国际下一个竞争焦点必将是太阳极轨探测器。极轨探测器的科学预期除了太阳发电机问题外，也将推动人们对空间天气中特别关注的高速太阳风起源等问题带来实质性进展。目前，美欧等发达国家都在开展相关研究，而国内也有很好的研究基础和工程能力，比如在2011年前后的国家深空探测规划中，太阳极轨探测器即被列为三次深空太阳探测任务之一，而中国科学院空间科学先导专项支持的“太阳极轨射电望远镜”（SPORT）和“太阳极轨探测器”预研，也为后续工作奠定了坚实基础。如果择机实现，必将使国内的太阳和空间物理占据引领性的国际地位。

(2) 高空间分辨和高测量精度的设备

有关太阳磁场基本结构这一重大科学难题，显而易见，必须发展兼具高空间分辨和高测量精度的设备，同时为匹配上述指标，时间分辨率也不可能太差。因此，最佳的解决方案是实施一个大口径空间太阳望远镜计划。得益于早期“空间太阳望远镜”的不断推动、深空探测计划中对“深空太阳天文台”的预研，国内无疑已经具备了实施这类计划的基本条件。当然，大口径空间太阳望远镜通过适当的载荷优化，也可对日冕加热、磁能传输释放等科学问题的研究做出重要贡献。

(3) 空间天气日地因果链的立体探测

对于磁能在空间天气因果链中的传输、积累和释放相关的科学问题，深空探测将是终极解决方案。目前国际上最关注的项目即是利用深空探测能力，构筑太阳立体探测网，这里面至少应该包括一到数个远离地球的探测器，和地基、近地轨道探测器、乃至太阳极轨探测器，组成一个覆盖日地全空间的观测网。深空太阳天文台、夸父卫星计划以及其他多个空间物理卫星预研为此积累了坚实的科学基础，而随着国内深空探测能力的不断实施，工程技术条件也必将日益完善。

(4) 观测理论、技术与方法的突破及验证

如前所述，日冕加热问题涉及到日冕磁场测量的瓶颈，因此在这一问题上，亟需的不是大工程，而是观测理论、技术与方法的突破。在日冕磁场测量方面，紫外/极紫外的偏振测量是最有希望的方向，但目前尚待解决诸多关键技术；此外，近年来发现的紫外光谱中的磁场诱导跃迁现象，可能会为日冕磁场测量提供一个新的手段^[13]。由于极紫外观测只能在地球大气外实施，因此应该抓住一些“小的”搭载机会，验证设备原理和关键技术，时机成熟后，提出较小规模的项目，同样可以对日冕加热等大科学问题发起冲击。