《太阳：前沿科学的实验室》课件

驾龙辀兮乘雷，载云旗兮委蛇。长太息兮将上，心低徊兮顾怀。羌声色兮娱人，观者憺兮忘归。屈原《九歌·东君》威海日落火星日落问题天文观测中的太阳是什么样的？什么是太阳活动？什么是空间天气？极端空间天气如何影响我们生存的环境和高技术系统？什么是太阳活动周，我们所处的第25太阳活动周的现状是什么？太阳研究与前沿科学领域联系如何？未来我们在太阳研究上要做哪些努力？一、

天文观测中的太阳太阳光球（photos-here）我国“羲和号”科学实验卫星观测（Aug.3，2022）高分辨率下的光球—米粒和湍动对流(TiO,

7058Å)日珥太阳色球（chromos-phere）我国“羲和一号”科学实验卫星观测（Aug.3，2022）色球边缘的日珥活动——云南天文台新真空望远镜（高分辨率Hα观测）Sep.2，2024ImageCredit&Copyright:Andrea

VanoniSolarcoronaseenintotalsolareclipse,Posachoff,2022

Sol.Phys.冕流日珥Chromosphere~104

K过渡区Transitionregion~times

105 KAtmosphere

太阳大气Convection

zone

对流层Radiation

zone

辐射区Suncore

日核日冕

Corona~

106 KSolarcoronaseenintotalsolareclipse,Posachoff,2022

Sol.Phys.色球Photosphere6000 K

光球magnetogram

磁强图太阳的物理参数日地距离1.4961011m(~8.3min.by

light）半径6.955

108

m

(地球的109倍)质量1.989

1030

kg

(地球的33万倍)逃逸速度

(光球)6.178

105

ms-1

(~618公里/秒)平均密度1409

kgm-3

(水的1.4倍)太阳常数1366

Wm-2亮度（表面温度）3.851026W(5780

k)年龄4.566

109

年

(~46亿年)化学组成氢70.68%,

氦27.43%,

其他1.89%太阳的生命周期天文学革命在继续在发现的种类繁多的五千多太阳系外行星系统中，我们的太阳系只不过是最早被知道的一个。天文学正处在一个激动人心的时刻，它的进步正使人类逐渐接近一个古老问题的答案——宇宙中我们是否孤独，我们的宇宙邻居在哪里？人类的生存环境与太阳活动紧密相关，太阳活动的剧烈变化会造成无线电通信中断、电力系统故障、人造卫星损坏和变轨，以及威胁航天员安全等重大灾害。近地小行星的监测、空间碎片的研究，以及自主的时间服务系统可以为国家安全和航天器的安全提供保障。深空探测是21世纪科技强国开拓地球外“新疆域”的重要手段，对月球、火星、金星和木星等太阳系天体的探测加速了人们对太阳系起源的了解，同时也为未来人类踏足新行星提供了前期准备。太阳系外恒星及其行星系统的多样性为了解地球起源和演化提供了借鉴，对地外生命的搜寻有助于人类思考宇宙尺度上地球生命的起源和意义。太阳研究与人类生存和国家安全等密切相关二、太阳——前沿科学的实验室（一）太阳磁场和太阳活动——宇宙中无所不在的电磁相互作用，（辐射）磁流体力学（二）太阳和恒星产能机制——受控热核反应，中微子，多信使天文学（三）太阳系外行星——类太阳恒星的研究，天体生物学（四）极端太阳活动——空间天气和气候学（五）太阳活动周——太阳和恒星发电机理论太阳磁场和太阳活动——宇宙中无所不在的电磁相互作用，（辐射）磁流体力学（一）伽利略1610年开始用望远镜观测太阳黑子夫琅禾费得到太阳光谱荷兰物理学家塞曼在1896年发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体使光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应。这个现象的发现是对光的电磁理论的有力支持，证实了原子具有磁矩和空间取向量子化。这一发现由于及时得到洛仑兹的理论解释，更受到人们的重视，被誉为继X射线之后物理学最重要的发现之一。彼得·塞曼1902年，塞曼与洛仑兹因这一发现共同获得了诺贝尔物理学奖，以表彰他们研究磁场对光的效应所作的特殊贡献。加州理工学院的乔治·黑尔，1908年基于物理学的塞曼效应发现黑子的强磁场，第一次用物理学方法研究天体对象，标志着天体物理学和太阳物理学的诞生。发明Astrophysics（天体物理学）创办《The

Astrophysical

Journal》GeorgeEllery

Hale太阳黑子的磁场和多波段观测太阳黑子——太阳活动的最基本的形式太阳黑子和太阳磁场分布太阳磁场望远镜宇宙中的电磁相互作用的理论——

磁流体力学和等离子体物理学日珥爆发Henode卫星在CaII谱线观测的一个大耀斑Type

III与耀斑相联系的日冕物质抛射、射电暴、粒子加速和地磁暴太阳活动及其空间天气效应太阳爆发式活动表现为暗条（日珥）的爆发、太阳耀斑和日冕物质抛射，它们导致的近地空间和日球环境的变化被称为空间天气；灾害性空间天气影响导航通讯定位系统、损害空间飞行器和宇航员健康，破坏长距离电力能源输运系统。日冕物质抛射（磁云）是日地空间灾害天气的主要驱动者由太阳磁场驱动并通过电磁相互作用影响地球环境小尺度太阳磁场活动无所不在，对太阳辐射和日冕加热有重要贡献Tianet

al.，2014，ScienceWangetal.，2012，Solar

Phys太阳风暴影响空间环境过程的演示极光是太阳高能粒子和极区磁力线共舞的霓裳木星土星宇宙中充满无所不在的电磁相互作用和爆发现象（M51的涡旋磁场）磁流体动力学过程控制着太阳带电流体（等离子体）的行为；太阳磁场和太阳活动的观测研究催生了磁流体力学理论的发展。汉尼斯·阿尔文（1908－1995）瑞典等离子体物理学家、天文学家，致力于磁流体动力学的研究。他为建立宇宙物理学的重要领域——电磁流体力学作出了贡献。他最主要的工作是发现磁流体中的阿尔文波。1942年他在太阳黑子的理论研究中发现，处在磁场中的导电流体，在一定条件下可以使磁力线像振动的弦那样运动，出现一种磁流体波。这一发现在等离子体物理、天体物理和受控热核反应中都有重要应用。阿尔文获得1970年的诺贝尔物理学奖。太阳和恒星产能机制——受控热核反应，中微子，多信使天文学（二）太阳的能量来自日核内氢聚变为氦的热核反应由2个质子和2个中子及4个电子组成的氦原子质量要略小于4个由1个质子和1个电子组成的氢原子的质量。英国科学家爱丁顿根据爱因斯坦的质能互换公式推测，缺少的质量转变成能量释放出来，这就是核聚变，太阳和恒星的能源。后来科学家发现，在太阳内每聚变形成一个氦原子就会释放出2个中微子。他1938年提出太阳的内部氢核聚变成氦核的热核反应理论，回答了恒星能量的来源问题。这一贡献使他获得了1967年的诺贝尔物理学奖，推动了恒星结构和演化的研究。汉斯·贝特（Hans

AlbrechtBethe，1906—2005年）钱德拉塞卡尔（Subrahmanyan

Chandrasekhar，19l0—1995）对恒星结构和演化的理论研究，福勒（William

Alfred

Fowler，1911—1995）对宇宙中化学元素形成的理论和实验研究共同获得1983年的诺贝尔物理学奖。雷蒙德·戴维斯(Raymond

Davis,1914—2006)

是20世纪50年代唯一一位敢于探测太阳中微子的科学家。中微子可能与氯原子核发生反应生成一个氩原子核和一个电子，探测是否生成氩原子核就可证实中微子的存在。为了捕获中微子，戴维斯领导研制了一个新型探测器，它的主体是一个注满615吨四氯乙烯液体的巨桶，埋藏在美国一个废弃的矿井中。在30年的探测中，他共发现了来自太阳的约2000个中微子，并证实了太阳是靠核聚变提供燃料的。戴维斯获2002年诺贝尔物理学奖，诺奖委员会称他的工作“相当于在整个撒哈拉沙漠中寻找一粒沙子”。太阳中微子探测——多信使天文学戴维斯首次测量了太阳产生的中微子的流量，发现大约只有根据标准太阳模型计算出来的三分之一。太阳中微子的缺失问题成为太阳物理和粒子物理研究不可回避的问题，导致对标准太阳模型的质疑和关于中微子振荡的猜想——电子中微子、μ子中微子和

中微子之间发生了转换。太阳中微子亏失之谜——多信使天文学美国莱因斯1956年首次探测到了中微子，获1995年诺贝尔物理学奖莱德曼、施瓦茨和斯坦伯格等1962年因

子中微子发现，获1988年诺贝尔物理学奖美国戴维斯（1968年）和日本小柴昌俊（1987年）在“探测宇宙中微子”方面取得的成就，导致了中微子天文学的诞生；贾科尼在“发现宇宙X射线源”方面取得的成就，导致了X射线天文学的诞生。他们荣获2002年诺贝尔物理学奖，打开了人类观测宇宙的两个新“窗口”日本梶田隆章和加拿大阿瑟·麦克唐纳在实验中发现中微子振荡，实际证明中微子是有质量的，他们荣获2015年诺贝尔物理学奖中微子观测和实验得了4次诺贝尔物理学奖多信使天文学引力波宇宙线中微子光子中国“人造太阳”全超导托卡马克核聚变实验装置太阳系外行星——类太阳恒星的研究，天体生物学（三）2019年诺贝尔物理学奖得主马约尔和奎洛兹1995年10月，马约尔（Michel

Mayor）和奎洛兹（Didier

Queloz）发现了第一个太阳系外的行星，环绕着一颗类太阳恒星旋转。这一发现掀起了一场革命，在银河系中陆续发现了超过5000颗系外行星。这些奇异未知的新世界或许有一天，让我们可以回答宇宙中是否存在其他生命？）一个另外的“太阳系”——

Mira太阳是银河系几千亿颗恒星中非常普通的一颗Hertzsprung–Russell

diagram被称为赫罗图，描述恒星光谱类型和恒星亮度的关系。恒星光谱类型，表现为恒星的颜色（太阳的颜色是橘黄色）；恒星亮度以太阳亮度为基准。Trappist-1恒星系统内太阳系地球火星在哈佛史密松教师指导计划帮助下，16岁的高中生Kartik

Pinglé

和18岁的Jasmine

Wright，基于TESS数据发现环绕类太阳恒星TOI-233的4颗行星，其中一颗属于“超级地球”，论文发表于ApJ，成为最年轻的天文学家。天体生物学古遗传学前生命化学合成生物学人类发现第一颗银河系外行星（NatureAstron

2021）极端太阳活动——空间天气和气候学（四）hestrongestsolarstorminhistory-CarringtoneventonSept1,

1859百年来最强的太阳风暴,

March

10,

1989Theoutage

ofQuebacpower

system百年来第二强的太阳风暴——HalloweenEvent2003:globalmagneticconnectivity&

interaction第25太阳周最强活动区AR13664，产生1989年以来最强太阳风暴2024年5月8日—15日共爆发13次X级耀斑2024年5月8日—11日爆发多次日冕物质抛射和超强地磁暴动图超强太阳活动导致2003年万圣节事件以来的最强地磁暴受5月8-9日CME的影响，10-11日产生Kp达到-9，Dst<-400

nT的超强地磁暴。全球约5000枚人造航天器主动变轨和机动提升其轨道高度，以抵消地磁暴所造成的轨道拖曳效应，防止被“拖曳下落”轨道高度在400公里左右的卫星轨道衰减明显变大，量级在每天660m米左右新疆阿勒泰内蒙古锡林郭勒新疆哈密盐池甘肃敦煌北京八达岭长城太阳活动周——太阳和恒星发电机理论（五）太阳黑子周期的长期变化（by

Hathaway）Science提出125个最具挑战性的重大科学问题太阳物理涉及5个问题最直接的是：是什么驱动了太阳的磁活动周？相关联的是：行星是怎样形成的？是什么导致了地球小冰期的存在？是什么导致地磁场极性反转？太阳系外是否或曾经有生命存在？太阳活动的长期变化对气候可能有重要和复杂的影响蒙德极小期道尔顿极小期公元650—1900年树木年轮中C14同位素含量蒙德极小期道尔顿极小期第25太阳周（2019年12月开始）近况青年学者姜杰与合作者完成第一个基于太阳发动机理论的准确太阳周预报模型磁场分布：彩色阴影区域对应环向磁场；实（虚）线—极向磁场第25太阳周的太阳活动水平将比第24太阳周强约10%，但将不是一个新的蒙德极小期的开始。三、前所未有的科学机遇天文学中重大的科学问题前所未有的重大设备重要的基础研究积累开放的数据政策2002年雷蒙德·戴维斯小柴昌俊里卡尔多·贾科尼发现宇宙中微子发现宇宙X射线源2006年约翰·马瑟乔治·斯穆特发现微波背景不均匀性2011