太阳的隐秘两极或将揭开它最大的秘密

为何太阳两极至关重要
乍看之下，太阳两极相较于±35°左右活跃的中纬度地区显得平静，那里黑子、太阳耀斑和日冕物质抛射（CMEs）频发。但表象具有欺骗性。两极磁场对太阳整体发电机过程至关重要，可能充当“种子磁场”，塑造下一个太阳活动周，决定太阳整体磁结构。尤利西斯号探测器的数据显示，快速太阳风主要源自两极附近广阔的日冕洞。因此，了解这些区域是解答太阳物理三大重要问题的关键：
1. 太阳发电机如何运作并驱动磁活动周？
太阳磁活动周是约11年的重复模式，以黑子数量波动和太阳磁极完全反转为标志。这一过程由太阳内部运动驱动的复杂发电机机制所主导。较差自转产生磁活动，而经向环流将磁通量带向两极。然而，数十年的日震学研究揭示了关于对流区深处这些流动行为的矛盾信息。部分证据甚至指向对流区底部存在向极流动，对传统发电机理论构成挑战。需高纬度观测以厘清这些内部流动模式并完善现有模型。
2. 快速太阳风的能量来源是什么？
快速太阳风——超音速带电粒子流——主要源自太阳极区日冕洞，充斥大部分日球层，塑造行星际空间环境。但科学家仍未完全理解其形成机制：它是源自日冕洞内密集的羽流，还是羽流间较弥散的区域？是磁重联事件、波相互作用，还是两者共同加速了气流？唯有对两极的直接成像和原位测量才能解决这些长期存在的问题。
3. 空间天气事件如何在太阳系中传播？
空间天气指太阳风和太阳爆发引起的空间环境变化。强烈耀斑和CMEs等极端事件可在地球引发地磁和电离层风暴，产生绚丽极光，同时威胁卫星、通信系统和电网。为改进预报，研究人员必须追踪太阳物质和磁结构在太阳及太空中的演化，而非仅从地球轨道平面的有限视角。从黄道面外观测将提供关键的俯视视角，帮助科学家追踪CMEs等扰动在太阳系中的传播路径。
过去的努力
科学家早已认识到太阳极区观测的重要性。1990年发射的尤利西斯号是首个脱离黄道面并采样两极太阳风的探测器。其原位仪器证实了快速太阳风的关键特性，但缺乏成像能力。近年，欧空局的太阳轨道器正逐渐脱离黄道面，预计几年内将到达约34°纬度。虽这是显著进步，但仍远未达到真正极区观测所需的视角。
过去数十年间，提出了多项雄心勃勃的任务构想，包括太阳极区成像仪（SPI）、太阳极区探测（POLARIS）、太阳极轨望远镜（SPORT）、Solaris任务和高倾角太阳任务（HISM）。部分构想利用太阳帆等先进推进技术到达高倾角， others依靠引力辅助逐步倾斜轨道。这些任务均将携带遥感和原位仪器，对太阳两极成像并测量极区上方关键物理参数。
SPO任务
太阳极轨天文台（SPO）专为克服过去及当前任务的局限而设计。计划于2029年1月发射，SPO将利用木星引力辅助（JGA）使其轨迹弯出黄道面。经数次地球飞掠和精心规划的木星交会后，探测器将进入1.5年轨道，近日点约1个天文单位，倾角可达75°。在扩展任务中，SPO可攀升至80°，提供有史以来最直接的两极视角。
该任务15年寿命（含7年扩展任务期）将使其覆盖太阳活动极小期和极大期，包括2035年前后下一个太阳极大期及预计的磁极反转关键时期。整个任务期间，SPO将反复经过两极，高纬度观测窗口累计超过1000天。
SPO任务旨在突破上述三大科学问题。为实现宏伟目标，SPO将携带一套遥感和原位仪器，共同提供太阳两极的全面视角。遥感仪器包括：磁场和日震成像仪（MHI），用于测量表面磁场和等离子体流动；极紫外望远镜（EUT）和X射线成像望远镜（XIT），捕捉太阳上层大气的动态事件；可见光日冕仪（VISCOR）和大角度日冕仪（VLACOR），追踪日冕和太阳风向45个太阳半径（1个天文单位处）延伸。原位探测载荷包括磁强计和粒子探测器，直接采样太阳风和行星际磁场。结合这些观测，SPO不仅将首次获取两极图像，还将把两极与塑造日球层的等离子体和磁能流动联系起来。
SPO并非孤立运行，预计将与日益壮大的太阳任务舰队协同工作。这些任务包括STEREO任务、日出卫星、太阳动力学天文台（SDO）、界面区域成像光谱仪（IRIS）、先进天基太阳天文台（ASO-S）、太阳轨道器、Aditya-L1任务、PUNCH任务，以及即将开展的L5任务（如欧空局的Vigil任务和中国的LAVSO任务）。这些设备将共同构成前所未有的观测网络。SPO的极区视角将提供缺失的一环，使人类历史上首次实现对太阳近全球4π空域覆盖。
展望未来
太阳是离我们最近的恒星，但仍有许多未知。即将到来的太阳极轨天文台（SPO）任务有望改变这一状况，为科学家提供前所未有的太阳极区观测视角。这些长期隐藏的区域很快将被详细观测，为理解塑造恒星及维系地球生命的力量提供新见解。
SPO的重要性远超纯粹的科学好奇心。通过增进对太阳发电机的了解，该任务或能提高太阳活动周预测准确性，进而提升空间天气预报的可靠性。理解快速太阳风的形成和行为也将完善日球层模型，这对航天器工程和宇航员安全至关重要。最重要的是，追踪太阳活动的进展可能增强我们保护关键技术的能力，包括导航和通信卫星、航空系统及地球电网。