從“手磨鏡片”到“羲和探日”：方成院士的60載逐日之旅 | NSR專訪

方成院士（圖片由受訪者提供）

采寫：李川（南京大學(xué)教授）

太陽是銀河系中極其普通的一顆恒星，卻是人類目前唯一可進(jìn)行高時(shí)空分辨率觀測的恒星。通過觀測和研究太陽，我們可以了解一些基本的天體物理過程，比如磁場的產(chǎn)生和演化、粒子的加速和傳播、天體爆發(fā)的物理機(jī)制等。太陽也是宇宙中與人類關(guān)系最密切的一顆恒星，其爆發(fā)活動(dòng)是空間災(zāi)害性天氣的源頭，影響空間飛行器安全甚至地球上的人類生活。因此，對(duì)太陽的觀測研究同時(shí)具有重要科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

方成院士是我國太陽活動(dòng)區(qū)物理研究和太陽觀測設(shè)備研發(fā)的拓荒者和奠基者，他主持研制了我國第一座塔式太陽望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)近紅外太陽爆發(fā)探測望遠(yuǎn)鏡，擔(dān)任我國首顆太陽探測衛(wèi)星“羲和號(hào)”的科學(xué)總顧問，正在牽頭建設(shè)2.5米大視場高分辨率太陽望遠(yuǎn)鏡和日地L5太陽探測工程（羲和二號(hào)）。

本次訪談中，我們將跟隨方成先生的學(xué)術(shù)足跡，回顧我國太陽物理觀測體系從幾乎空白、艱難起步，到擁有大型地基設(shè)備、空間探測衛(wèi)星，再邁向日地L5點(diǎn)立體探測的發(fā)展歷程，聆聽他關(guān)于科學(xué)探索、工程推進(jìn)和人才培養(yǎng)的思考，感受一位老一輩科學(xué)家數(shù)十年如一日探索太陽奧秘的執(zhí)著與擔(dān)當(dāng)。

（一）從“手磨鏡片”開始——地面太陽觀測的艱難起步

NSR：1959年，您作為一名大四學(xué)生，在高海拔的祁連山上和同學(xué)們一起自研日冕儀，嘗試進(jìn)行中國首次日冕觀測。這種“白手起家”的經(jīng)歷，對(duì)您后來自主研發(fā)觀測設(shè)備產(chǎn)生了怎樣的影響？

方成：日冕儀是一種特殊的望遠(yuǎn)鏡，主要通過擋光片反射太陽圓面的光，因此就能觀測到太陽最外層的日冕。當(dāng)時(shí)，我國還沒有日冕儀。

1959年3月，南京大學(xué)數(shù)學(xué)天文系成立日冕儀研制小組，由程庭芳老師帶隊(duì)、主要由大四同學(xué)組成。蘇定強(qiáng)等人負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和磨制光學(xué)鏡片，李挺等人用馬糞紙制成了堅(jiān)實(shí)的鏡筒。

1959年6月，日冕儀試驗(yàn)觀測隊(duì)攜帶了試驗(yàn)性日冕儀前往青海祁連山朱龍關(guān)進(jìn)行試驗(yàn)。我和一位老師提前一個(gè)月去打前站。當(dāng)時(shí)山上沒有公路，觀測隊(duì)雇了當(dāng)?shù)剞r(nóng)民牽著兩頭驢把儀器和行李馱到山上去，其他人步行上山。因?yàn)橹忑堦P(guān)海拔接近4000米，不少人產(chǎn)生了高原反應(yīng)，只能躺在床上休息。我沒有什么高原反應(yīng)，就和另外一位同學(xué)黃介浩一起承擔(dān)了挑水、燒飯的任務(wù)。

幾天后，大家慢慢好起來了，就一起把儀器裝起來開始觀測。結(jié)果不是很理想，畢竟是土辦法搭起來的望遠(yuǎn)鏡，連鏡片都是自己手磨的。前后十幾天，沒有觀測到日冕，只觀測到太陽邊緣的日珥。這可能跟天氣有關(guān)，也可能跟儀器有關(guān)。

雖然最終沒有成功，但從設(shè)計(jì)開始一直到制造、裝配、實(shí)驗(yàn)，不怕困難，親自動(dòng)手，這對(duì)我們未來的成長意義巨大。

1959年6月，方成（二排右1）和日冕儀試驗(yàn)觀測隊(duì)其他成員在祁連朱龍關(guān)觀測點(diǎn)，身后是自行研制安裝的試驗(yàn)日冕儀。（圖片由受訪者提供）

NSR：從1958年初到1979年底，南京大學(xué)太陽塔從規(guī)劃到落成跨越了22年，在那個(gè)技術(shù)封閉、經(jīng)費(fèi)緊張的年代，您是如何主持設(shè)計(jì)并堅(jiān)持完成建設(shè)工作的？

方成：太陽塔，又稱塔式太陽望遠(yuǎn)鏡，是當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的太陽觀測設(shè)備之一。20世紀(jì)50年代，歐美國家已建成十余座太陽塔，而我國仍是一片空白。1958年，南京大學(xué)天文學(xué)系提出建設(shè)我國自己的太陽塔。那時(shí)大家從未見過太陽塔，既缺乏經(jīng)驗(yàn)，也缺少資料，只能依靠熱情和探索精神邊學(xué)邊干。然而，1960年國家進(jìn)入三年困難時(shí)期，項(xiàng)目被迫中斷。

困難時(shí)期過后，南京大學(xué)決定重啟太陽塔建設(shè)。由于沒有國外專家?guī)椭荒芡耆揽孔约好鳌W(xué)校邀請(qǐng)浙江大學(xué)精密光學(xué)機(jī)械系師生參與機(jī)械設(shè)計(jì)工作。然而1968年，受時(shí)代環(huán)境影響，南京大學(xué)遷往江蘇溧陽辦學(xué)，太陽塔項(xiàng)目再次停滯。當(dāng)時(shí)我擔(dān)任系里的司務(wù)長，每天忙于后勤保障，太陽塔小組實(shí)際上已經(jīng)名存實(shí)亡。

1973年，學(xué)校科研教學(xué)秩序逐漸恢復(fù)，我被任命為太陽塔研制小組組長。雖然當(dāng)時(shí)還只是助教，但大家經(jīng)過長期積累，已逐漸掌握太陽塔的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)。隨后，我們開始為太陽塔選址。1974年起，小組成員騎著自行車奔走于南京周邊地區(qū)，利用自制日暈光度計(jì)測量天空透明度和散射光強(qiáng)度，同時(shí)查閱大量氣象資料，比較風(fēng)向、雨量等條件，最終于1975年確定南京紫金山南麓孝陵衛(wèi)的一處高地為最佳臺(tái)址。

光學(xué)設(shè)計(jì)同樣困難重重。由于沒有現(xiàn)成資料，我們只能自學(xué)光學(xué)設(shè)計(jì)理論，自行編寫計(jì)算程序。當(dāng)時(shí)學(xué)校計(jì)算機(jī)性能有限，無法滿足需求，于是我們每天乘車一個(gè)多小時(shí)，前往南京大廠鎮(zhèn)一家企業(yè)的計(jì)算中心進(jìn)行計(jì)算和學(xué)習(xí)。經(jīng)過長期努力，終于完成了全部光學(xué)設(shè)計(jì)工作，大幅提高了設(shè)計(jì)精度。

在江蘇省委和南京市有關(guān)部門支持下，太陽塔的加工任務(wù)被分配給五家大型工廠。為了保證精度，小組成員分頭駐廠，全程跟蹤生產(chǎn)過程，我負(fù)責(zé)總體協(xié)調(diào)。1976年開始施工時(shí)，條件依然十分艱苦。為了節(jié)省經(jīng)費(fèi)，天文系20多位教師用板車將建筑材料從火車站運(yùn)往工地。實(shí)現(xiàn)“三通一平”（通水、通電、通路、平整土地）期間，我和另外兩位老師長期駐守工地，在簡陋的茅草棚里輪流值班。挑水、做飯、看守設(shè)備全部親力親為，夏天忍受蚊蟲侵?jǐn)_，晚上還要提防蛇和蜈蚣。周圍荒涼偏僻，夜間值守常令人膽戰(zhàn)心驚，但大家始終沒有退縮。

經(jīng)過多年艱苦奮斗，1978年底，中國第一座太陽塔終于矗立在紫金山南麓。20米高的塔身和花瓣式圓頂格外醒目。經(jīng)過近一年的設(shè)備安裝和調(diào)試，1979年下半年，太陽塔正式建成。當(dāng)光路第一次打通，高質(zhì)量太陽像清晰呈現(xiàn)在眼前時(shí)，許多人激動(dòng)得流下了眼淚。從1958年提出建設(shè)設(shè)想到最終建成，前后歷時(shí)22年。

1982年10月，南京大學(xué)太陽塔通過國家級(jí)鑒定，被認(rèn)為達(dá)到國際同類口徑太陽塔先進(jìn)水平。此后，太陽塔投入太陽活動(dòng)峰年的觀測，獲得了300余個(gè)高質(zhì)量太陽活動(dòng)區(qū)、耀斑、日珥和黑子的觀測資料，包括我國首批53個(gè)耀斑CCD二維光譜資料以及兩例白光耀斑多波段光譜資料。這些觀測成果為我國太陽物理研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

我國第一座太陽塔（圖片由受訪者提供）

NSR：如今南京大學(xué)正在建設(shè)的2.5米大視場高分辨率太陽望遠(yuǎn)鏡，在光學(xué)設(shè)計(jì)上，要同時(shí)兼顧大口徑帶來的高分辨和大視場帶來的全局觀，這在國際上也是極大的挑戰(zhàn)。請(qǐng)問在攻克這項(xiàng)技術(shù)時(shí)，有哪些中國原創(chuàng)的設(shè)計(jì)思路？

方成：要對(duì)太陽進(jìn)行詳細(xì)研究，必須要有大型太陽望遠(yuǎn)鏡。2013年我們提出研制一架口徑2.5米的大型太陽望遠(yuǎn)鏡。我們?cè)敿?xì)分析了國外大型太陽望遠(yuǎn)鏡的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)它們都是追求高分辨率，但是，視場都很小，一般僅有2-3角分，不能覆蓋太陽活動(dòng)區(qū)。所以我們提出研制一架既有高分辨率、又有大視場的，具有中國特色的太陽望遠(yuǎn)鏡。這是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。按照一般的原理，高分辨率和大視場是矛盾的：分辨率越高，視場就要越小。

2.5米大視場高分辨率太陽望遠(yuǎn)鏡（WeHoST）示意圖（圖片由受訪者提供）

為了攻克這項(xiàng)技術(shù)，我們采用了五大措施：1.采用創(chuàng)新的多視線、多波前探測器和波前校正器大視場自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，設(shè)計(jì)三種工作模式：精跟蹤校正模式、高階自適應(yīng)光學(xué)（CAO）校正模式，以及超大視場地表層自適應(yīng)光學(xué)（GLAO）校正模式；2.2.5米口徑主鏡在太陽照射下能接收約5000瓦熱能，即使鏡面反射率達(dá)到90%，仍會(huì)吸收約500瓦熱量，造成鏡面變形和局部空氣湍流，影響成像質(zhì)量。為此，我們采用反射率達(dá)99%的納米隔熱涂層，并結(jié)合鏡背主動(dòng)制冷技術(shù)和輕量化熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過向鏡坯內(nèi)部輸送冷空氣及時(shí)帶走熱量，有效控制鏡面溫度場和局部視寧度，保障高分辨率觀測；3. 采用新型的基于鈮酸鋰晶體的大口徑干涉偏振濾光器；4.采用太陽多狹縫光譜磁像儀，可以對(duì)太陽光球和色球進(jìn)行同時(shí)的高精度偏振測量；5．同時(shí)采用創(chuàng)新的斑點(diǎn)干涉技術(shù)，對(duì)快速拍攝的圖像進(jìn)行高速處理，獲得高分辨率的太陽圖像。

除了以上5大措施外，選擇優(yōu)秀的臺(tái)址也是非常重要的，因?yàn)槿绻髿鈱庫o度差，說明大氣擾動(dòng)大，就不能進(jìn)行高分辨率的太陽觀測。在云南天文臺(tái)主導(dǎo)下，組織了來自全國許多單位的專家，歷時(shí)10余年，對(duì)我國西北地區(qū)的40余個(gè)地方進(jìn)行了監(jiān)測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)四川稻城的白天大氣寧靜度最好，適合太陽觀測。這架口徑2.5米的大視場高分辨率太陽望遠(yuǎn)鏡（WeHoST）就確定放在稻城海拔4750米的無名山上，有望在2027年全部建成。

2.5米大視場高分辨率太陽望遠(yuǎn)鏡建成后的示意圖（圖片由受訪者提供）

NSR：除了研發(fā)自主觀測設(shè)施，在理論研究上您也取得了重大突破，是我國第一位系統(tǒng)掌握和運(yùn)用非局部熱動(dòng)平衡理論的太陽學(xué)者，當(dāng)時(shí)為何選擇攻克這一理論難題？在缺乏參考資料、很少國際交流的背景下，是如何刻苦鉆研、建立起整套實(shí)用方法的？

方成：南京大學(xué)太陽塔獲得了大量高質(zhì)量的太陽活動(dòng)區(qū)、耀斑、日珥和黑子的光譜觀測資料。如何利用它們?nèi)シ治鎏柹细鞣N活動(dòng)的物理特性，并取得重要的科學(xué)成果，是擺在我們面前的迫切課題。

在實(shí)際的恒星大氣中，氣體狀態(tài)不能僅僅由兩個(gè)熱力學(xué)參數(shù)來唯一地確定，而必須同時(shí)考慮輻射場和物質(zhì)的互相作用。就是說，必須采用非局部熱動(dòng)平衡（non-local thermodynamic equilibrium，簡稱NLTE）理論。在此理論框架下，要通過同時(shí)求解輻射轉(zhuǎn)移方程和各能級(jí)的統(tǒng)計(jì)平衡方程才能確定原子的激發(fā)和電離狀態(tài)。因此，它比局部熱動(dòng)平衡理論要復(fù)雜得多。在非局部熱動(dòng)平衡下，要計(jì)算原子在各個(gè)能級(jí)上的粒子數(shù)，必須把建立在各個(gè)能級(jí)躍遷數(shù)統(tǒng)計(jì)平衡原理上的統(tǒng)計(jì)平衡方程組同輻射轉(zhuǎn)移方程、能量方程，以及例如流體靜力學(xué)平衡方程等聯(lián)立起來求解，才能確定原子的激發(fā)和電離狀態(tài)，從而計(jì)算出光譜，并與觀測比較，以確定各物理參數(shù)。這正是解決非局部熱動(dòng)平衡問題的困難性和復(fù)雜性所在。

我在1980年出國去法國巴黎天文臺(tái)做訪問學(xué)者前，對(duì)非局部熱動(dòng)平衡理論知之甚少，只知道它對(duì)我們分析太陽塔資料不可缺少。我到法國后，一個(gè)是要詳細(xì)了解他們的太陽塔情況，學(xué)習(xí)他們的經(jīng)驗(yàn)；另一個(gè)就是要跟法方的合作研究員埃努（J.-C. Hénoux）教授一起研究非局部熱動(dòng)平衡理論，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行太陽光譜和大氣模型的計(jì)算。

我如饑似渴地學(xué)習(xí)理論，并下決心自己編寫上萬條的程序命令。這對(duì)我這個(gè)初學(xué)的人來說，困難可想而知。整整花了一年多的時(shí)間，終于寫好了可用的程序。我把它應(yīng)用到南京大學(xué)太陽塔的觀測資料上，開展了很多研究工作，取得一批很好的成果，包括全世界第一次把詳細(xì)的色球結(jié)構(gòu)計(jì)算和自洽能量平衡計(jì)算結(jié)合起來，得到太陽耀斑的大氣模型等。

回國以后，我們利用太陽塔和其他望遠(yuǎn)鏡所取得的光譜資料，通過非局部熱動(dòng)平衡理論計(jì)算，獲得了太陽上許多活動(dòng)體的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄌ柡谧印⒆V班、耀斑、日珥、埃勒曼炸彈等，做出了有特色的工作，在國際太陽物理學(xué)界引起很大反響。

（二）空間“探日”時(shí)代——“羲和號(hào)”衛(wèi)星的突破

NSR：“羲和號(hào)”探日衛(wèi)星在2021年發(fā)射，是我國第一顆太陽觀測衛(wèi)星。這一項(xiàng)目經(jīng)歷了怎樣的立項(xiàng)和實(shí)施過程？當(dāng)看到“羲和號(hào)”傳回國際首份空間全日面Hɑ光譜數(shù)據(jù)時(shí)，您作何感想？

方成：我始終認(rèn)為，觀測是太陽物理研究的基礎(chǔ)，先進(jìn)觀測設(shè)備是獲取高質(zhì)量第一手?jǐn)?shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)原創(chuàng)突破的關(guān)鍵。過去幾十年，國際主要航天國家已發(fā)射30余顆太陽觀測衛(wèi)星，而我國長期缺乏專門的太陽探測衛(wèi)星。雖然先后提出“天文衛(wèi)星1號(hào)”“空間太陽望遠(yuǎn)鏡”、SMESE和夸父計(jì)劃等多個(gè)項(xiàng)目，但除神舟二號(hào)搭載的空間天文分系統(tǒng)外，大多未能實(shí)施。長期以來，我國太陽物理研究高度依賴國外觀測數(shù)據(jù)，尤其是空間探測數(shù)據(jù)，缺乏自主獲取第一手資料的能力。太陽空間探測能力不足，成為制約我國太陽物理和空間科學(xué)發(fā)展的重要瓶頸。

2015年，中國航天科技集團(tuán)有限公司第八研究院研發(fā)了超高指向精度和超高穩(wěn)定度的衛(wèi)星平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)我國太陽空間觀測零的突破提供了機(jī)會(huì)。我和團(tuán)隊(duì)成員敏銳地抓住機(jī)會(huì)，與航天八院聯(lián)合提出了基于雙超衛(wèi)星平臺(tái)開展高精度太陽觀測的思路。

在眾多觀測項(xiàng)目的遴選中，如何選擇一個(gè)既有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值，又有鮮明特色的載荷，則是應(yīng)該重點(diǎn)考慮的問題。經(jīng)過分析，國外至今沒有一顆觀測太陽Hα光譜的衛(wèi)星，而Hα光譜可以帶來從太陽低層到色球高層的大量物理信息。過去已有許多地基太陽望遠(yuǎn)鏡觀測太陽的Hα光譜，但地面上的觀測會(huì)受到地球大氣擾動(dòng)、晝夜交替和天氣等因素影響，效果并不理想。經(jīng)過反復(fù)論證，最終確定了“雙超衛(wèi)星平臺(tái)”加“Hα光譜成像”的總體設(shè)計(jì)方案，明確了衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)。

“羲和號(hào)”衛(wèi)星的研制周期十分緊張，自立項(xiàng)到發(fā)射僅兩年時(shí)間，而且直接進(jìn)入正樣階段，研制風(fēng)險(xiǎn)十分巨大。為此，航天八院、南京大學(xué)和載荷研制單位中科院長春光機(jī)所緊密配合，形成例會(huì)制度，隨時(shí)解決研發(fā)過程中的問題和短線。在研發(fā)最為困難和緊張的階段，各系統(tǒng)單位每天都要匯報(bào)問題和進(jìn)展。“千淘萬漉雖辛苦，吹盡狂沙始到金”，最終衛(wèi)星于2021年7月取得階段性成果，在南京完成了地面觀測試驗(yàn)，2021年9月在上海完成了整星集成測試。

2021年10月14日，我和我們團(tuán)隊(duì)成員到太原發(fā)射基地見證了我國第一顆太陽觀測衛(wèi)星——“羲和號(hào)”的成功發(fā)射。它開啟了我國空間探日的新時(shí)代。當(dāng)火箭帶著衛(wèi)星發(fā)出震憾人心的轟鳴聲直奔蒼穹，并在十幾分鐘后衛(wèi)星成功進(jìn)入預(yù)定軌道時(shí)，我們都激動(dòng)得跳了起來！不久，“羲和號(hào)”傳回了國際首份空間全日面Hɑ光譜數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列定標(biāo)分析，表明全日面光譜成像數(shù)據(jù)綜合指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。基于其科學(xué)數(shù)據(jù)，已經(jīng)取得并將持續(xù)產(chǎn)出一批原創(chuàng)科學(xué)成果。

現(xiàn)在，“羲和號(hào)”超期服役，還在不斷傳回大量優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)，為我國太陽物理和空間天氣研究提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。十年磨一劍，我們的辛苦付出為我國科技高水平自立自強(qiáng)做出了貢獻(xiàn)，值了！

“羲和號(hào)”衛(wèi)星及其太陽成像（圖片由受訪者提供）

NSR：“羲和號(hào)”采用了“磁懸浮”載荷艙與平臺(tái)分離的技術(shù)（雙超平臺(tái)）。這種設(shè)計(jì)對(duì)天文觀測來說有何價(jià)值？

方成：傳統(tǒng)的衛(wèi)星平臺(tái)與載荷固連，撓性影響和微振動(dòng)難以測量和消除，控制精度十分有限。然而，開展高精度全日面光譜掃描，需要非常高的太陽像面控制精度。以往的太陽空間觀測主要是通過增加導(dǎo)行鏡和穩(wěn)像系統(tǒng)來控制望遠(yuǎn)鏡的指向和穩(wěn)定度，無疑會(huì)增加載荷質(zhì)量和設(shè)計(jì)難度。

“羲和號(hào)”采用了雙超衛(wèi)星平臺(tái)，創(chuàng)新性地利用磁浮機(jī)構(gòu)將平臺(tái)艙和載荷艙隔離，將低精度要求的載荷和平臺(tái)活動(dòng)部件、撓性附件等高頻微振動(dòng)和低頻擾動(dòng)源全部置于平臺(tái)艙；將高精度要求的太陽觀測載荷置于載荷艙，真正實(shí)現(xiàn)了“動(dòng)靜隔離”，成功實(shí)現(xiàn)了無導(dǎo)行鏡和穩(wěn)像系統(tǒng)的太陽空間觀測。“羲和號(hào)”在軌實(shí)測結(jié)果表明，載荷艙的姿態(tài)指向精度優(yōu)于1╳10-4度、穩(wěn)定度優(yōu)于3╳10-5度/秒，較傳統(tǒng)衛(wèi)星平臺(tái)提高了1–2個(gè)量級(jí)。

此外，在兩艙隔離的情況下，載荷與平臺(tái)間的能源和通訊利用無線能源和激光數(shù)傳進(jìn)行。“羲和號(hào)”經(jīng)過四年多的在軌運(yùn)行，工作狀態(tài)出色，充分驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)的穩(wěn)定性和可靠性。我認(rèn)為，這種雙超平臺(tái)設(shè)計(jì)完全可以用于其他的空間天文觀測，既減少了載荷質(zhì)量和設(shè)計(jì)難度，同時(shí)又保證了觀測精度，因此一定會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

NSR：借助“羲和號(hào)”高質(zhì)量的科學(xué)數(shù)據(jù)，國內(nèi)外學(xué)者獲得了一批原創(chuàng)科學(xué)成果。您如何評(píng)價(jià)“羲和號(hào)”的成績，以及它對(duì)我國太陽物理研究的意義？

方成：“羲和號(hào)”是我國自主研制的首顆太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了國際首次太陽Hα波段光譜成像的空間觀測。習(xí)近平總書記在2022年新年賀詞等多個(gè)場合高度肯定了“羲和逐日”的重大成就。2022年10月，中共中央黨史和文獻(xiàn)研究院將“羲和號(hào)”列為十九大以來黨和國家事業(yè)取得的重大成就之一。

利用“羲和號(hào)”的全日面高分辨率光譜數(shù)據(jù)，已經(jīng)取得了豐碩的成果：首次精確刻畫太陽大氣的較差自轉(zhuǎn)圖像，發(fā)現(xiàn)自轉(zhuǎn)速度隨高度而增加，這源于無處不在的扎根于光球之下的小尺度磁場；首次在臨近FeI譜線中觀測到白光耀斑；首次系統(tǒng)研究太陽暗條拋射的三維動(dòng)力學(xué)；首次通過全日面高精度Hα光譜開展類太陽恒星活動(dòng)研究；首次直接觀測到Si I 譜線完整的譜線結(jié)構(gòu)（地面觀測時(shí)，這條譜線被地球大氣的水分子譜線所覆蓋）等。

國際著名天文期刊《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》（The Astrophysical Journal Letters）發(fā)表熱點(diǎn)專輯（Focus Issue），集中收錄“羲和號(hào)”首批研究成果。這是中國天文觀測設(shè)備首次在該期刊以專輯形式發(fā)表研究成果。目前，已有十余個(gè)國家的科學(xué)家利用“羲和號(hào)”的全日面高分辨率光譜數(shù)據(jù)，在國際一流學(xué)術(shù)期刊發(fā)表研究論文近百篇。

“羲和號(hào)”取得的豐碩成果令人振奮，它不僅推動(dòng)了太陽物理的發(fā)展，更是為我國的太陽物理研究提供了一流的觀測資料，配合其他衛(wèi)星和地基望遠(yuǎn)鏡的資料，有望取得一流的研究成果，為我國太陽物理的騰飛做出貢獻(xiàn)。

（三）挺進(jìn)深空“無人區(qū)”——“羲和二號(hào)”日地L5太陽探測工程

NSR：“羲和二號(hào)”計(jì)劃于2029年初發(fā)射至日地L5點(diǎn)，給太陽持續(xù)穩(wěn)定地拍側(cè)身照，為什么說從L5點(diǎn)觀測是預(yù)測災(zāi)害性空間天氣的利器？

方成：日地L5點(diǎn)是日地系統(tǒng)的5個(gè)平動(dòng)點(diǎn)之一，位于地球公轉(zhuǎn)軌道上游60°，同時(shí)相對(duì)地球位于太陽自轉(zhuǎn)的上游位置。我們提出的“羲和二號(hào)” 日地L5太陽探測工程計(jì)劃在該點(diǎn)長期駐留，對(duì)于預(yù)報(bào)災(zāi)害性空間天氣來說，不僅可以提前4-5天觀測到即將面向地球的活動(dòng)區(qū)，而且更重要的是，可以從側(cè)面清楚地觀測太陽風(fēng)暴（耀斑和日冕物質(zhì)拋射）從太陽到地球的完整傳播過程，實(shí)時(shí)追蹤太陽風(fēng)暴在日地空間的行為，為預(yù)報(bào)災(zāi)害性空間天氣帶來革命性的突破。

日地系統(tǒng)5個(gè)拉格朗日點(diǎn)在黃道面上的相對(duì)位置（圖片由受訪者提供）

NSR：目前國際上沒有長期駐留日地L5點(diǎn)的太陽探測衛(wèi)星，您和同事們布局“羲和二號(hào)”搶占日地L5點(diǎn)，其獨(dú)特的科學(xué)價(jià)值和戰(zhàn)略意義是什么？

方成：我們知道，美國宇航局和歐洲空間局分別在2006年、2018年和2020年發(fā)射了日地關(guān)系天文臺(tái)(STEREO)、帕克太陽探測器(PSP)和太陽軌道器(Solar Orbiter)，初步實(shí)現(xiàn)了黃道面多視角、太陽抵近探測。然而，STEREO的兩顆探測器在黃道面上相對(duì)太陽的位置處于漂移狀態(tài)，無法開展定點(diǎn)穩(wěn)定探測，對(duì)太陽爆發(fā)研究和空間天氣預(yù)警預(yù)報(bào)來說有較大的局限性；SolO偏離黃道面的軌道傾角最大約為33度，對(duì)極區(qū)的觀測還不夠完整，在解決太陽活動(dòng)周起源的問題上作用有限；PSP的近日點(diǎn)位置最小約為9個(gè)太陽半徑，并且抵達(dá)次數(shù)非常有限，另外也缺少遙感觀測的載荷，對(duì)解決日冕加熱和磁重聯(lián)問題還不夠充分。因此，進(jìn)一步開展太陽空間全方位立體探測十分迫切。

我們的日地L5太陽探測工程--“羲和二號(hào)” 瞄準(zhǔn)兩個(gè)重大科學(xué)和應(yīng)用問題：活動(dòng)區(qū)磁場的產(chǎn)生演化及其與太陽爆發(fā)的物理聯(lián)系；太陽爆發(fā)的傳播規(guī)律及其與災(zāi)害性空間天氣的關(guān)系。通過精測矢量磁場、揭示三維爆發(fā)和精準(zhǔn)預(yù)警預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)其主要科學(xué)和應(yīng)用目標(biāo)：（1）探索太陽活動(dòng)區(qū)磁場的起源和演化；（2）揭示太陽爆發(fā)的三維結(jié)構(gòu)和物理機(jī)制；（3）研究太陽爆發(fā)的傳播規(guī)律和對(duì)地影響。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，國際上至今沒有長期駐留日地L5點(diǎn)的太陽探測器。由歐空局主導(dǎo)、美國宇航局參與的Vigil任務(wù)，計(jì)劃于2031年發(fā)射一顆探測器至L5點(diǎn)，主要任務(wù)是空間天氣的預(yù)警和預(yù)報(bào)。“羲和二號(hào)”有望搶占日地L5點(diǎn)，使我國太陽物理研究進(jìn)入世界最前沿。因此，“羲和二號(hào)” 具有獨(dú)特的科學(xué)價(jià)值和戰(zhàn)略意義。

NSR：從地面塔式望遠(yuǎn)鏡、空間“羲和號(hào)”到未來的L5探測器，中國正在構(gòu)建一套完整的立體觀測體系。這套體系在未來的太陽物理國際合作中將扮演怎樣的角色？

方成：在太陽物理領(lǐng)域中有一些重大科學(xué)和應(yīng)用問題沒有得到完美的解答，例如太陽風(fēng)暴如何產(chǎn)生并如何影響日地空間環(huán)境？太陽活動(dòng)為什么會(huì)有周期性？太陽高層大氣為何會(huì)有異常的高溫？太陽風(fēng)源自哪里以及如何被加速？等等。這些問題的回答離不開太陽的立體探測，因?yàn)橹挥型ㄟ^多視角、全方位、高精度、多信使的探測，才能精細(xì)研究太陽三維磁場的起源和演化，詳細(xì)了解太陽活動(dòng)和太陽風(fēng)暴的三維結(jié)構(gòu)及其演化，揭示太陽爆發(fā)的傳播規(guī)律和對(duì)地響應(yīng)等。因此，太陽立體探測是國內(nèi)外科學(xué)家所共識(shí)的必由之路。這就是說，要在黃道面上、太陽極區(qū)軌道和太陽抵近軌道分別部署探測器，配合地面望遠(yuǎn)鏡，形成對(duì)太陽和行星際空間環(huán)境的全方位立體探測系統(tǒng)。

我國已有一批先進(jìn)的地基望遠(yuǎn)鏡，包括1米真空太陽望遠(yuǎn)鏡（NVST）、中紅外磁場精確測量系統(tǒng)（AIMS）、射電日象儀（MUSER）、圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡（DART），以及即將投入使用的1.8米太陽望遠(yuǎn)鏡（CLST）和世界上最大的軸對(duì)稱望遠(yuǎn)鏡——2.5米大視場高分辨率太陽望遠(yuǎn)鏡（WeHoST）等。

空間探測方面，我國已有“羲和號(hào)”（CHASE）、“夸父一號(hào)”（ASO-S）衛(wèi)星，已立項(xiàng)的有L1衛(wèi)星、“羲和二號(hào)” （日地L5太陽探測工程，LAVSO）和“夸父二號(hào)”（太陽極軌天文臺(tái)，SPO），還有正在預(yù)研的太陽探測抵近探測計(jì)劃（SCOPE）等。

這些計(jì)劃的實(shí)施將建立起我國對(duì)太陽的一套完整的立體觀測體系，使我國進(jìn)入世界太陽物理和空間天氣研究的最前沿。同時(shí)，我們將加強(qiáng)國際合作，與國際同行分享我國的一流觀測資料，并通過聯(lián)合分析國內(nèi)外的優(yōu)質(zhì)資料，在太陽物理和空間天氣研究的重大科學(xué)問題上取得突破性進(jìn)展，為人類社會(huì)的進(jìn)步做出中國的貢獻(xiàn)。

（四）拓荒者的接力——科學(xué)精神與報(bào)國情懷

NSR：從主持建設(shè)中國第一座太陽塔，再到領(lǐng)銜“羲和號(hào)”邁向空間，您親歷了中國太陽物理觀測范式的跨越。在您看來，這種觀測范式的提升如何重塑了我們對(duì)太陽活動(dòng)物理機(jī)制的理解？

方成：中國太陽物理觀測范式的跨越從根本上改變了我們對(duì)太陽活動(dòng)物理機(jī)制的理解。以前我們只有一些簡單的太陽觀測儀器，只能拍攝一些分辨率不高的太陽圖像和光譜，對(duì)太陽的研究停留在“看圖識(shí)字”的水平。

經(jīng)過大家?guī)资甑钠D苦奮斗和不懈努力，現(xiàn)在我國已有一批先進(jìn)的地基望遠(yuǎn)鏡和“雙星探日”的格局，對(duì)太陽活動(dòng)物理機(jī)制有了比較深入的理解。例如，基于高分辨率的觀測和詳細(xì)的數(shù)值模擬，我們了解了磁重聯(lián)和各種波動(dòng)在太陽活動(dòng)的產(chǎn)生和發(fā)展、太陽大氣的能量釋放和轉(zhuǎn)移中具有主導(dǎo)的作用；我們對(duì)太陽風(fēng)暴的產(chǎn)生和演化從二維發(fā)展到三維的認(rèn)識(shí)；我們?cè)诳臻g天氣的預(yù)報(bào)方面也有了長足的進(jìn)步，等等。

特別是，通過這些研究，我們明確了太陽立體探測是未來太陽物理和空間天氣研究的重大而迫切的發(fā)展方向，因此才有了建立我國一套完整的太陽立體觀測體系的決心和計(jì)劃。

飯要一口一口吃，路要一步一步走。只要我們努力奮斗，扎實(shí)前行，我們一定能夠在太陽物理和空間天氣的研究上走到世界的最前沿。

NSR：您曾深入研究白光耀斑和非局部熱動(dòng)平衡理論，這些極其枯燥的公式推演是研究分析的重要基礎(chǔ)。您如何看待“冷板凳”與“大工程”之間的關(guān)系？

方成：是的，觀測資料的收集，理論研究的過程，都是非常枯燥的，需要靜下心來，坐上幾年甚至十幾年的“冷板凳”。但是，沒有日復(fù)一日坐“冷板凳”的靜心鉆研，怎么能夠打下扎實(shí)的基礎(chǔ)？怎么能夠深入了解科學(xué)問題的癥結(jié)所在？又怎么能夠把握未來前進(jìn)的方向，提出“大工程”的計(jì)劃？僅憑膚淺的了解和拍腦袋的想象提出的“大工程”計(jì)劃，十個(gè)有十個(gè)不會(huì)成功！當(dāng)然，需要指出的是，貨真價(jià)實(shí)的“大工程”也決不是那么容易完成的，需要付出極大的艱苦努力，同樣要有十年磨一劍的坐“冷板凳”精神，才能取得最后的成功。

NSR：現(xiàn)在的中國學(xué)生擁有了全世界最好的地基和空間設(shè)備。在您看來，除了先進(jìn)的儀器，一個(gè)優(yōu)秀的科學(xué)家最不可或缺的素質(zhì)是什么？對(duì)于下一代逐日人，您有什么寄語？

方成：從前輩科學(xué)家的成長歷程，以及我六十余年風(fēng)雨兼程科學(xué)生涯的實(shí)踐里，我覺得，一個(gè)優(yōu)秀的科學(xué)家不可或缺的素質(zhì)是：熱愛，靜心，刻苦，團(tuán)結(jié)，創(chuàng)新。熱愛祖國，熱愛事業(yè)，才會(huì)有用不完的勁頭；靜下心來，心無旁騖，甘坐“冷板凳”，才能深入思考，悟得真諦；迎難而上，刻苦鉆研，才能解決重大問題；團(tuán)結(jié)包容，各盡所能，才能做成大事；創(chuàng)新思維，不迷信，不盲從，才能推陳出新，闖出一片新天地。

現(xiàn)在中國太陽物理的年輕學(xué)子擁有了比我們過去好得多的科研條件，包括先進(jìn)的觀測設(shè)備和比較充裕的科研經(jīng)費(fèi)，完全可以青出于藍(lán)而勝于藍(lán)，做出一番不負(fù)韶華的大事業(yè)。年輕的一代逐日人，讓我們一起努力，為中華民族的偉大復(fù)興、為我國太陽物理與空間探測事業(yè)的騰飛做出重要的貢獻(xiàn)！

【本訪談?dòng)⑽陌姹景l(fā)表于《國家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review, NSR）。英文版鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag430】

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（本文編輯：劉四旦）

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