徐芳芳

太陽讓地球擁有了一片欣欣向榮的景色，但在更近的觀察距離上它卻具有狂暴的一面。它的外層——日冕，是一個(gè)炎熱且充滿活力的地方，在那里會(huì)不斷發(fā)出帶電粒子流形成太陽風(fēng)，更會(huì)有太陽系中最大尺度的爆發(fā)現(xiàn)象——日冕物質(zhì)拋射（CME）發(fā)生。CME發(fā)生時(shí)，數(shù)十億噸磁化等離子體爆炸噴發(fā)的物質(zhì)會(huì)對地球產(chǎn)生影響，損壞衛(wèi)星的電子器件，殺死在太空漫步的宇航員，大的風(fēng)暴甚至?xí)闺娋W(wǎng)中斷。所以研究CME的起源和演化不僅對理解太陽活動(dòng)現(xiàn)象的本質(zhì)有重要意義，而且對能否提高空間天氣的準(zhǔn)確預(yù)測能力也很關(guān)鍵。為破解太陽狂暴之秘，不少人正在為此前赴后繼，南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院副教授程鑫也是其中的探秘者之一。

太陽上捕捉“磁繩”

關(guān)于CME的起源，科學(xué)家們猜測，可能與太陽活動(dòng)區(qū)存在著的巨大“磁繩”有關(guān)，這種“磁繩”可能正是引發(fā)太陽風(fēng)暴的罪魁禍?zhǔn)?，但“磁繩”是否真的存在一直沒有定論，因?yàn)樗难莼俣葮O快，可見時(shí)間極短，要捕捉到它并非易事。盡管如此，程鑫還是發(fā)現(xiàn)了它。捕捉到“磁繩”時(shí)，他還是南京大學(xué)天體物理專業(yè)的一名在讀博士生。

在太陽上捕捉到“磁繩”，發(fā)生于2011年。當(dāng)時(shí)程鑫正作為南京大學(xué)天文系和美國喬治梅森大學(xué)物理、天文與計(jì)算科學(xué)學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)的博士在美國跟隨張捷教授做CME的觀測工作，發(fā)現(xiàn)“磁繩”對程鑫來說既是偶然也是必然。

赴美之前，程鑫針對“磁繩”其實(shí)已經(jīng)開展了一些工作，并且他一直在思考著一個(gè)問題：“CME到地球附近時(shí)，的確能探測到磁繩，但是在太陽附近，雖然大多數(shù)文獻(xiàn)都認(rèn)為CME是‘磁繩，但在沒有日冕磁場直接測量的情況下，這一觀點(diǎn)并不能完全說服我，所以我一直在尋找證據(jù)來證明這件事情?！?/p>

當(dāng)時(shí)張捷教授的研究方向正好與程鑫的興趣相吻合，更幸運(yùn)的是2010年2月美國航天局剛剛發(fā)射了一架名為“太陽動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)”的觀測器，其攜帶的大氣綜合成像儀每隔10秒對太陽拍一次照，所得數(shù)據(jù)正是張捷教授和程鑫感興趣的。

“每天早上到辦公室的第一件事情就是打開電腦看數(shù)據(jù)，看那些在太陽不同部位發(fā)生爆炸時(shí)拍的照片。有一天在一個(gè)高溫波段我看到一個(gè)很有意思、以前從來沒見過的結(jié)構(gòu)，就拿給張捷教授看，我們看了好多遍，討論了很多次，但都不敢相信這可能就是‘磁繩。后來經(jīng)過深入的數(shù)據(jù)分析，我們達(dá)成一致，確定這可能就是大家一直在找的‘磁繩?！背迢位貞?。

通過這次觀測，程鑫首次發(fā)現(xiàn)了磁繩在CME爆發(fā)之前已經(jīng)存在的證據(jù)——在極紫外波段表現(xiàn)為一個(gè)扭曲的高溫?zé)嵬ǖ澜Y(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)在爆發(fā)過程中，這一高溫磁繩會(huì)被進(jìn)一步增強(qiáng)，并控制CME的形成和早期動(dòng)力學(xué)過程，這些發(fā)現(xiàn)極大推進(jìn)了學(xué)界對CME物理機(jī)制即磁繩核心作用的認(rèn)識。相關(guān)文章發(fā)表以來，不僅他們?yōu)榇爬K存在特征命名的“熱通道”一詞被國內(nèi)外大多數(shù)太陽物理學(xué)家所使用，而且引發(fā)了國內(nèi)外很多團(tuán)組利用SDO數(shù)據(jù)研究磁繩的興趣。

程鑫說也沒想到這項(xiàng)工作會(huì)產(chǎn)生那么大的影響，當(dāng)時(shí)只是覺得有意思，看到大家都關(guān)注這件事情時(shí)，他心里還是非常開心的。

做自己喜歡的事情

多年過去，程鑫的研究已向CME爆發(fā)領(lǐng)域的深處邁進(jìn)，而他對科研的熱情和執(zhí)著卻始終如初。因?yàn)榕d趣選擇了現(xiàn)在的工作，因執(zhí)著他也收獲了一些成果。因在CME爆發(fā)領(lǐng)域的一系列成果，程鑫獲得美國地球物理學(xué)會(huì)“Basu獎(jiǎng)”和第五屆“黃授書獎(jiǎng)”。提到獲獎(jiǎng)的事情，程鑫反而有點(diǎn)不好意思，他說：“比我優(yōu)秀的人多得是，我今后還需要更加努力”。

從2007年進(jìn)入南京大學(xué)天文系讀研究生至今，在天文與空間科學(xué)領(lǐng)域堅(jiān)持了13年的程鑫，一路走來也并非一帆風(fēng)順，幸而有諸多前輩，尤其是恩師長江學(xué)者丁明德教授的一路扶持。當(dāng)遇到困難時(shí)，他更是時(shí)常會(huì)想起父親去世前對他說的話：“你該做你自己喜歡做的事情！”出身農(nóng)村的程鑫，家里本不算富裕，大學(xué)快畢業(yè)，父親又查出患了癌癥，這種情況下程鑫本想放棄自己讀研的夢想出去工作，是父親的堅(jiān)持改變了他的想法，繼續(xù)走上求學(xué)的路。

進(jìn)入南京大學(xué)天文系讀研究生期間，程鑫選擇了自己喜歡的研究小組——太陽組。本科學(xué)物理專業(yè)的程鑫，一開始對天文一無所知，為了盡快適應(yīng)這種轉(zhuǎn)變，明確自己的研究目標(biāo)，他用了大半年時(shí)間把近10年太陽爆發(fā)領(lǐng)域頂級雜志上的代表性文章都看了一遍，最后找到了自己感興趣的方向——CME，并一直堅(jiān)持研究至今。

程鑫的母親常說他的性格很倔，但他認(rèn)為“倔”是對所喜歡事情的一種執(zhí)著：“倔勁兒用到科研上，別人可能輕易放棄的事你如果能堅(jiān)持下來可能就有了新的發(fā)現(xiàn)”。

可能跟每個(gè)人的成長經(jīng)歷有關(guān)，人不可能跳出自己的經(jīng)驗(yàn)去思考問題，帶學(xué)生也一樣，程鑫會(huì)用要求自己的標(biāo)準(zhǔn)去要求學(xué)生，他鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考，先提出問題再想辦法解決問題，同時(shí)也必須非常努力。

現(xiàn)在，程鑫已是一位父親，日常他必須在工作和生活之間平衡，幸好有妻子的全力支持，這讓程鑫有了更多時(shí)間投入科研工作。當(dāng)問到程鑫未來的目標(biāo)是什么時(shí)，他說是帶領(lǐng)研究生在太陽爆發(fā)領(lǐng)域多取得些突破性的成果，為我國空間天氣預(yù)報(bào)提供理論支撐。

“使者”助力未來研究

科學(xué)研究離不開高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，尤其對太陽和空間物理、空間天氣學(xué)而言。程鑫介紹，為揭開籠罩在太陽頭上的神秘面紗，獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)，人類朝太陽派出了不少“使者”。自1995年起，包括SOHO、TRACE、RHESSI、Hinode、STEREO、SDO、IRIS等太陽觀測科學(xué)衛(wèi)星被相繼發(fā)射，這些科學(xué)衛(wèi)星各個(gè)身懷絕技，除TRACE和RHESSI已退役外，其他5顆衛(wèi)星都在軌正常運(yùn)行，繼續(xù)為人類揭示太陽的奧秘。

讓程鑫興奮的是，2020年2月10日，歐洲航天局和美國國家航空航天局?jǐn)y手研制的“太陽軌道飛行器”（以下稱“太陽軌道器”）成功發(fā)射，它將首次從高緯度給太陽拍照，揭示太陽極區(qū)磁場的奧秘。“這是繼2018年升空的‘帕克太陽探測器（以下稱‘帕克）后，人類近期朝太陽派遣的第二位使者?！量吮取栜壍榔髂芨嚯x觸摸太陽，研究太陽風(fēng)如何產(chǎn)生，但缺點(diǎn)是它沒有相機(jī)給太陽爆發(fā)源區(qū)拍照；而‘太陽軌道器可以彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，它與太陽距離適中，能對太陽進(jìn)行遠(yuǎn)程拍照及原位測量?！栜壍榔鲗⑴c‘帕克雙劍合璧，刷新我們對太陽爆發(fā)的認(rèn)識?！?/p>

然而“太陽軌道器”的成功發(fā)射，并不意味著人類探測太陽腳步的停歇。未來10年，人類還將發(fā)射更多太陽探測衛(wèi)星，中國的“先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)”（ASO-S）和南京大學(xué)的“Ha望遠(yuǎn)鏡”就是其中兩個(gè)。

據(jù)程鑫介紹，A S O-S是我國太陽物理界自主提出的一個(gè)太陽空間探測衛(wèi)星計(jì)劃。它以太陽活動(dòng)第25周峰年作為契機(jī)，將實(shí)現(xiàn)我國太陽衛(wèi)星探測零的突破。ASO-S的科學(xué)目標(biāo)簡稱為“一磁兩暴”，“一磁”即太陽磁場，“兩暴”即太陽上兩類最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象——耀斑爆發(fā)和CME，即觀測和研究太陽磁場、太陽耀斑和CME的起源及三者之間可能存在的因果關(guān)系。

為實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，ASO-S上共安排了3個(gè)主要載荷：全日面矢量磁像儀用來觀測太陽光球矢量磁場；太陽硬X射線成像儀用來觀測太陽耀斑非熱物理過程；萊曼阿爾法太陽望遠(yuǎn)鏡主要用來觀測CME的形成和早期演化。ASO-S獨(dú)特的載荷組合將首次實(shí)現(xiàn)在一顆衛(wèi)星上同時(shí)觀測太陽全日面矢量磁場、太陽耀斑高能輻射成像和CME的近日傳播，力爭在太陽物理前沿領(lǐng)域“一磁兩暴”觀測和研究方面取得重大突破，揭示太陽磁場演變導(dǎo)致太陽耀斑爆發(fā)和CME的內(nèi)在物理機(jī)制，在拓展人類知識疆野的同時(shí)，也為人類生存環(huán)境有重大影響的空間天氣提供預(yù)報(bào)的物理基礎(chǔ)。

有這些太陽觀測設(shè)施的助力，程鑫對未來的研究充滿信心。在接下來的工作中，他將把CME的初發(fā)、CME磁繩的三維演化、磁重聯(lián)物理作為自己研究的重點(diǎn)，幫助提高當(dāng)前空間天氣的預(yù)報(bào)水平。另外，基于太陽爆發(fā)的研究經(jīng)驗(yàn)，他也將探索類太陽恒星的爆發(fā)過程。程鑫說：“我們不能阻止太陽風(fēng)暴，就像不能阻止地震和火山爆發(fā)一樣。但是，我們卻可以提前預(yù)報(bào)它，將危害減至最輕。”

專家簡介

程鑫，南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師。2012年獲南京大學(xué)天文學(xué)博士學(xué)位，2010年9月至2011年12月在美國喬治梅森大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)，2019年2月至2019年8月在德國馬普太陽系研究所做洪堡學(xué)者。主要研究方向?yàn)槿彰嵛镔|(zhì)拋射、磁場重聯(lián)、太陽射電暴、空間天氣預(yù)報(bào)等。在Nature Communications和ApJ等天文學(xué)主要期刊發(fā)表論文70多篇，引用1800多次。2013年獲美國地球物理學(xué)會(huì)“Sunanda and Santimay Basu Early Career Award”，2015年獲第五屆中國天文學(xué)會(huì)“黃授書獎(jiǎng)”。