对一个奇特的天文现象，
理论学家可以提出几百个、几千个模型，
但到底谁是对的？
实践才是检验真理的唯一标准。
陈鹏飞 · 南京大学天文与空间科学学院教授
格致论道第 124 期|2025 年 10 月 25 日 北京
大家好，我叫陈鹏飞，来自南京大学天文与空间科学学院，是研究太阳的。
跟很多科班出身的同事不一样，我是半路出家。我在南京理工大学的专业是土木工程。在上个世纪八九十年代，我们国家的房地产蓬勃发展，土木工程是一个非常热门的专业。可是我对工程不是那么感兴趣，那时候就想做一个像爱因斯坦那样的人。在我迷茫的时候，别人告诉我，如果遇事不决，那就量子力学。于是，我自学量子力学，考上了中国科学院近代物理研究所来学物理。
在读硕士研究生的第二年，有一个很偶然的机会，我听到了南京大学天文系彭秋和教授的一个报告，突然发现天体物理才是我的最爱，是我愿意一辈子付出的专业。于是，我报考了南京大学天文系，跟随方成教授学习天体物理。
▲左：陈鹏飞与硕士导师张明超研究员（右）
右：在南京大学进行博士论文答辩后在海报前留影
我经常用我的这段经历来告诉我的学生们，我们一定要有自己的爱好、梦想和追求。如果有，你一定要去追求你的梦想，不管付出多大的代价。
当然，我并没有对当初在学的专业有所懈怠，学土木工程的时候我也是在认真地学，所以我的本科毕业论文获得了南理工的优秀本科毕业论文。读硕士的时候我学的是物理，毕业论文也获得了中国科学院近物所的优秀硕士论文。等我终于找到了喜爱的天体物理之后，自然我的博士毕业论文也获得了全国优秀博士论文。所以，我也告诉我的学生们，干一行也要爱一行。
在辩论时经常出现的一个话题是：到底我们应该去爱一行干一行，还是干一行爱一行呢？我自己的体会是两者不矛盾。做一行的时候，先要认认真真把它做好，等到机会成熟再去追求自己的梦想。
太阳也长“雀斑”
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我是研究太阳的。太阳天天都看得见，它给地球上生命的存在和繁衍提供了恰恰好的光和热。然而，太阳其实并不总是那么白白净净，有的时候脸上也会长“雀斑”，那就是黑子。
太阳黑子为什么是黑色的呢？因为这块的温度比周围要低了1000多摄氏度。这块温度为什么低了1000多摄氏度呢？这是因为这个地方的磁场特别强，强磁场会阻碍能量从太阳内部传输到太阳表面。
黑子的出现给太阳带来了闪光点，给太阳带来了生机，也产生了大量的活动现象。大家熟知的一个太阳活动现象叫日珥。
日珥其实是悬浮在100万摄氏度日冕里面的一个低温物质，只有7000℃，样子看起来像一个耳环，所以我们把它叫日珥。通常日珥在太阳上的寿命就三四天、五六天，之后会以爆发的形式抛射出来。
一旦日珥抛射之后，在它的下方会产生非常壮观的太阳耀斑，比如下面视频里的环状结构就是一个太阳耀斑。一个太阳耀斑持续的时间，也就五六十分钟，但是它所释放出来的能量相当于100亿颗原子弹同时爆炸的总能量。全世界的人口大约80亿，一次太阳耀斑产生的能量相当于全世界人手一颗原子弹同时爆炸的总能量。
一个太阳耀斑有多大呢？上面视频的右上角有一个小圆块，那就是我们的地球。可见一个太阳耀斑比地球要大得多。
在太阳耀斑发生的同时，几十亿吨的物质跟随着日珥一起往外抛射，这形成了一个更壮观、比太阳都大得多的爆发现象，叫日冕物质抛射。
日冕物质抛射、太阳耀斑、日珥等所有爆发现象，我们将其统称为太阳风暴。太阳风暴产生的几十亿吨的物质，以几百上千公里每秒的速度朝太空抛出去，其中一部分可能会对着地球撞过来。一旦撞到地球，就会在地球的磁场上产生大小不同的各种扰动，甚至产生地磁暴。
一旦产生强烈的扰动之后，太阳爆发加速的电子、离子、质子等等，就会给卫星表面充电、放电，甚至导致卫星报废。而且这些接近光速的粒子也会轰击卫星的芯片，可能使卫星芯片无法工作，卫星就作废了。
太阳耀斑的强烈辐射也会对地球的电离层产生干扰，这可能会让我们的短波通讯中断。同时，地磁暴一旦发生，可能会让我们的电网、电站瘫痪。
给大家举两个著名的例子。第一个例子，在1989年3月，太阳爆发了一次非常剧烈的太阳耀斑，有几十亿吨的物质以2000公里每秒的速度朝我们撞过来。不过，不是朝着我们所在的北京，而是加拿大魁北克省，它把魁北克省一个水电站的变压器烧毁了。这个水电站负责的是魁北克省的用电。所以，在寒冷的3月冬天，600万人在饥寒交迫之中度过了9个小时。
第二个例子，在2022年2月，马斯克一次性发射了49颗卫星。很不巧的是，太阳在这个时候爆发了一次不大不小的太阳耀斑，使得这49颗卫星里面的40颗卫星坠毁到大气层。网民开玩笑说，马斯克放了一次非常盛大的烟火。
正是因为太阳爆发活动每年对人类高科技产生的破坏达到了几十亿人民币，所以，太阳物理研究不只是一个基础学科，一个对天文现象的研究，它其实对我们的国计民生也有非常重大的影响。
既然太阳黑子会带来这么多麻烦，是不是如果太阳上没有黑子的话，世界就更美好了？其实不然，因为这个事情曾经发生过。
400年前，太阳持续了70年时间几乎没有黑子。这段时间在天文上叫蒙德极小期，正好对应地球小冰期温度最低的一段时期。那个时候，英国的泰晤士河都结冰了，大家不用走伦敦桥，直接在河面上就可以过河了。大家都在河上面摆摊。
而且，因为气温降低，全世界农作物大量减产，老百姓食不果腹。所以有学者认为，这次的小冰期也可能是明朝灭亡的一个主要原因。
太阳这个领域跟天文的其他领域有一个很大的不同，那就是其他领域都需要加班，晚上的时候去观测，而太阳是白天出来，所以我们想加个班都不行，因为太阳下山了。但是，我喜欢加班，喜欢“做牛马”，所以就选择了不通过观测来研究太阳，而是通过计算机模拟来研究太阳现象。这样的话，即使太阳下山了，只要有电，我还可以加班。
怎么通过计算机模拟来研究太阳爆发现象呢？通常是我们通过编程序，利用计算机去算，然后试图去理解太阳爆发现象的一些规律和物理本质。我举两个例子来告诉大家如何通过数值模拟（也就是计算机模拟）来研究太阳爆发现象。
预报太阳天气
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既然太阳爆发每年会给全人类带来几十亿人民币的损失，那能不能像天气预报一样，预报太阳爆发？如果能成功预报，就可以减少很多损失。很多人在思考这个问题，其中就包括著名物理学家理查德·费曼的妹妹——琼·费曼。哥哥聪明，妹妹也厉害，是我们的同行。
▲查德·费曼（左1）和妹妹琼·费曼
在中国我们会说“山雨欲来风满楼”，任何一个大的事情发生之前会有一些先兆。所以，琼·费曼就思考一个问题：日珥在爆发的前一天，太阳上面发生了什么？
下面左边的图显示的是平常的日珥，这时候不会爆发。在日珥周围的绿色线是磁力线，是我手绘的。磁力线从左边出来，叫正极，到右边下去，叫负极。
▲左：安然无恙的日珥
右：将要爆发的日珥
如果周围的环境不发生什么改变，这个日珥就在那颐养天年，安然无恙，岁月静好。但是琼·费曼发现一个很有趣的规律，日珥在爆发前一天，在日珥的旁边会有新的黑子冒出来，就是图中的蓝色磁力线。而且，她还发现一个非常有趣的规律，只有新黑子朝上的正极靠近原来日珥朝下的负极，正负抵消，才会产生太阳爆发。如果是相同方向的磁场靠近，那就不会爆发。
这个规律发现之后，在国际上引起了很大的反响，大家都觉得非常有用，可以用来预报太阳爆发。但是，大家知其然，不知其所以然。这个时候，我们提出了一个模型。
日珥是悬浮在太阳表面以上，在日冕里面，它的磁场从左边出来是正极，从右边下去是负极。如果在爆发的前一天，有个小黑子从太阳内部冒出来，而且黑子磁场的正极正好靠着原来的负极，正负就会抵消，磁力线之间就会重新连接，会连到右边去。重新连接的这一段磁力线就像弹弓一样，会获得一个像弹弓的张力来加速物质往上运动，正是这个张力使日珥开始抛射。这是我们的一个理论模型、一个想法。
这个想法对不对呢？我们用计算机来计算了一下，做了一个模拟，结果发现真的是这样。当一个正负抵消的磁场冒出来之后，日珥就失去平衡，爆发了，也完美地解释了琼·费曼发现的有趣规律。
这个文章到现在为止被引用了475次，是我自己所有发表文章里引用最高的文章之一。但是，这个工作并不是我最引以为豪的工作，我最引以为豪的工作跟太阳海啸有关。
被证实的预言
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1998年，美国同行汤普森和同事发现了一个意料之外的波动现象，叫太阳海啸。一旦大的太阳耀斑发生之后，会在太阳表面激发起海啸，跟我们地球上的海啸一样，我们把它称为太阳海啸。
太阳海啸发现之后，引起了国际同行非常大的兴趣，因为非常有趣。只要这个海啸发生在太阳中心附近，100%会有几十亿吨的物质以几百上千公里每秒的速度朝着地球撞过来。
开始的时候，大家试图理解这个海啸、这个传播到底是一个什么样的波？那个时候，全世界几乎所有人都认为，太阳海啸就是一种磁声波。所谓的磁声波就像声波一样，我说话你们听得见，就是因为声波传播。只是因为太阳上的声波会跟磁场耦合在一起，我们就把它叫磁声波。
然而，德国同行发现一个很怪异的现象，那就是太阳海啸跑得太慢了，它只有太阳大气里磁声波速度的1/3，这就变得不可调和了。太阳海啸的速度是磁声波的1/3，所以，它不可能是一个磁声波。在那个时候，大家莫衷一是，公说公有理，婆说婆有理。
▲太阳海啸的速度仅磁声波速度的 1/3
我依然记得，2008年，在有这种争论的情况下，世界空间科学大会在加拿大举行。组织者特意安排了一个专场，邀请了国际上三位专家就这个话题进行辩论，包括一位来自欧洲的专家、一个来自美国的专家，以及来自中国的我。在全世界同行面前，中欧美三方唇枪舌剑，简直上演了一场太阳物理界的“三国演义”。
与此同时，在几年之后的2014年，瑞士国际空间科学研究所也组织了一场太阳海啸的专题研讨会。参加会议的9个全世界代表里面，8个人依然坚信太阳海啸就是磁声波，只有我认为太阳海啸不是磁声波，所以我是1:8，像诸葛亮一样舌战群儒，虽千万人，吾往矣。
▲2014年瑞士国际空间科学研究所太阳海啸专题研讨会
我是如何来解释太阳海啸的速度只有磁声波速度三分之一的呢？如下图所示，日珥是太阳上突出的一个耳环状结构，红线就是日珥上方的磁力线。总所周知，磁声波走直线，所以日珥一旦爆发，它的磁声波会走直线从C点传到D点，所以传得快。
但是，太阳海啸的速度只有磁声波的1/3，所以我就提出，太阳海啸不是走直线，而是受磁场的影响，沿着磁力线拐弯地走。也就是说，太阳海啸是从A点传到C点，有第一个海啸波前，再从A点往上传到B点，再拐个弯传到D点，便有了第二个海啸波前。
这样一来，传播的路径远了，时间也长了，表观的速度看起来就慢了，算下来正好是1/3。这就完美地解释了为什么太阳海啸的速度是磁声波的1/3。我的这两个工作成果都被美国同行写到他们的研究生教科书里了。
有了这个想法，我们也要做数值模拟。在我们做的模拟中，随着日珥从太阳表面往上抛射，首先产生了一个红色的磁声波，它的速度非常快。但是在磁声波的后面，还有一个深蓝色的波慢慢地传，速度正好是磁声波的1/3，证实了太阳海啸不是磁声波。
怎么去实际证明我的模型是对的呢？这个模型中，我做了一个预言，认为当初发现太阳海啸的望远镜给太阳拍照的时间间隔太长了，如果将来发射望远镜拍摄太阳图片更频繁的话，应该能观测到两个波动，一个是太阳海啸，另一个是在太阳海啸前面的磁声波。
在我这篇文章发表、预言提出十年之后，终于，美国发射了一颗新的卫星。这时候，国内外有大量的同行发表文章证实，他们确实看到了一个跑得快的波和一个跑得慢的波。跑得慢的是太阳海啸，前面跑得快的就是磁声波，而且它们速度的比值差不多就是3:1，完美地证实了我们当初的预言。
这件事情告诉我们一个重要的道理，对一个奇特的天文现象，理论学家可以提出几百个、几千个模型，但是到底谁是对的？只有实践才是检验真理的唯一标准。这时候，我也意识到了通过观测研究太阳的重要性，所以在读博士、做计算机模拟研究十年之后，我开始也做一些太阳观测的研究了。
第100颗卫星
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我的导师方成老师，其实非常重视观测。当初在1980年，他克服种种困难建成了我们国家第一座太阳塔。
▲左：方成院士
右：我国第一座太阳塔
后来，随着南京逐渐向一线城市靠拢，市区不再适合观测了，方老师就带着我们去云南漂亮的抚仙湖畔，建了一个光学与近红外太阳探测望远镜。
▲光学与近红外太阳探测望远镜
目前，我们团队正在研制一台2.5米的太阳望远镜，这个是国内最大的太阳光学望远镜，计划2026年底建成，放在四川省稻城海拔4700米的无名山。等到这个望远镜建成之后，我估计“无名山”会变成“有名山”。
▲2.5米大视场高分辨率太阳望远镜
地面的望远镜很好，但也有很多不足：
第一，地球的大气存在很多扰动；
第二，在地面上观测，一个地方只能观测7到8个小时，太阳下山就看不着了；
第三，日珥爆发在早期的速度非常缓慢，如果要预报日珥是否会爆发，物质是否会撞到地球，目前没有望远镜能够探测出来。大风起于青萍之末，我们希望探测到爆发早期的微小速度。
最后，虽然太阳海啸的研究已经趋于平息，但依然还有很多未解之谜，比如说，并不是每一个太阳海啸的前面都会有磁声波。我们希望做一台望远镜，发射到天上去，离开地球大气的干扰，从而探测更多太阳海啸前面的磁声波。
基于以上的原因，我们南京大学羲和团队经过了6年的奋斗，在航天部门的协力下，终于研制出全国第一颗太阳探测卫星“羲和号”。2021年10月14号，羲和号卫星被送上太原卫星发射中心的发射架，这是太原卫星发射中心自建立以来发射的第100颗卫星，整整第100颗。
这颗卫星非常成功，下面这个图片就是羲和卫星拍摄到的太阳像。
到目前为止，全世界15个国家的同行都在使用我们的数据。2024年，我在比利时参加一个国际会议，英国同行对羲和卫星的数据大加赞赏。下面是一个日珥爆发的视频，羲和拍到的。一个日珥爆发之后，产生壮丽的太阳耀斑。
以前的望远镜只能看到日珥的存在，如果它在缓慢地朝着我们抛射，从图像上你是看不出来的，而我们羲和卫星看着了。图中蓝色的是指（多普勒）蓝移，它在朝着我们运动，红色部分就是物质在往下掉落。
尤其让我激动的是，羲和卫星还探测到非常多的太阳海啸前面的磁声波。
在这个成功的基础上，我们羲和团队正在研制“羲和二号”，将来要再发射一颗卫星到第五拉格朗日点。太阳、地球和第五拉格朗日点组成一个等边三角形，也就是说让“羲和二号”在第五拉格朗日点以旁观者清的角度去监测太阳爆发如何从太阳传到地球。
多年以后，当我站在大家面前的时候，我依然会记得在4年零11天前的夜晚（2021年10月14日）——在太原卫星发射中心，当冒着熊熊烈焰的长征二号丁运载火箭携带着羲和卫星冲破漆黑的夜幕，去追寻太阳的光芒时，我的内心的想法是：我们的事业和国家的命运，都在蒸蒸日上。
谢谢大家。
本文转载自《格致论道讲坛》微信公众号
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