我們要到太陽上去！測磁場！

1989年3月13日，一個普通的午夜，加拿大魁北克省的居民突然在睡夢中被寒意驚醒。在短短92秒內(nèi)，全省電網(wǎng)發(fā)生災(zāi)難性崩潰，在隨之而來的9小時停電中，超600萬居民陷入了黑暗和無供暖的困境。事后調(diào)查將罪魁禍?zhǔn)字赶?.5億公里外太陽的一次“猛烈噴嚏”：

一次強(qiáng)烈的日冕物質(zhì)拋射所引發(fā)的地磁暴。

事發(fā)當(dāng)日，加拿大地表層面的地磁強(qiáng)度在4分鐘內(nèi)的增強(qiáng)過程（圖片來源：Metatech）

太陽的日冕物質(zhì)拋射如同宇宙中的“臺風(fēng)”，由太陽磁場活動所驅(qū)動。三十多年過去了，盡管地球后來也曾遭遇強(qiáng)度相當(dāng)?shù)奶柋l(fā)，但并未再導(dǎo)致同等規(guī)模的停電事件。這背后既有電力系統(tǒng)加固的功勞，也是因?yàn)槿祟悓μ柕摹疤鞖忸A(yù)報”能力已今非昔比。而精準(zhǔn)預(yù)報的核心鑰匙，正是對太陽磁場的精確測量。

無論是出于對星辰大海的好奇，還是為了守護(hù)現(xiàn)代生活的安寧，我們都有必要去揭開太陽磁場的神秘面紗。不過，磁場看不見、摸不著，科學(xué)家如何能夠捕捉太陽磁場的動向？

太陽磁場的可視化效果圖（圖片來源：NASA）

太陽磁場測量：“遠(yuǎn)觀”的智慧與局限

仰望星空，望遠(yuǎn)鏡是天文學(xué)家的“千里眼”。在太陽磁場探測領(lǐng)域，望遠(yuǎn)鏡同樣功勛卓著。望遠(yuǎn)鏡測量太陽磁場的核心原理是塞曼效應(yīng)——原子在外部磁場作用下，其發(fā)射或吸收的光譜線會發(fā)生分裂。太陽望遠(yuǎn)鏡就是抓住太陽大氣中鐵原子的這種分裂現(xiàn)象，配合精密的光譜儀和偏振分析儀，來推算太陽磁場的強(qiáng)度和方向。

塞曼效應(yīng)：原子在外部磁場作用下，其發(fā)射或吸收的光譜線會發(fā)生分裂

我國是最早開展太陽望遠(yuǎn)鏡研發(fā)的國家之一。1968年，中國科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所（以下簡稱“南京天光所”）蘇定強(qiáng)院士團(tuán)隊(duì)成功研制了中國第一個李奧（Lyot）雙折射濾光器。此后，我國所有基于該核心部件的太陽觀測儀器均實(shí)現(xiàn)了自主制造。例如，懷柔35cm太陽磁場望遠(yuǎn)鏡能夠精細(xì)測量太陽表面（光球）和低層大氣（色球）的矢量磁場，為研究太陽磁場的起源和演化積累了海量的寶貴數(shù)據(jù)[1]。

進(jìn)入21世紀(jì)，我國的太陽觀測能力持續(xù)提升。位于云南撫仙湖的1米新真空太陽望遠(yuǎn)鏡是我國目前綜合性能最強(qiáng)的地面光學(xué)太陽望遠(yuǎn)鏡之一，其觀測數(shù)據(jù)為理解太陽活動提供了關(guān)鍵支撐。南京大學(xué)和南京天光所合作研制的2.5米大視場高分辨率太陽望遠(yuǎn)鏡（WeHoST）預(yù)計(jì)將于2026年底建成，有望成為我國新一代觀天“利器”，將極大地推動太陽物理研究并提升全球空間天氣災(zāi)害預(yù)警能力。

除了這些強(qiáng)大的地面“巨眼”，我國還邁向了空間探測的新紀(jì)元。已經(jīng)成功發(fā)射的“夸父一號”先進(jìn)天基太陽天文臺，同時搭載了全日面矢量磁像儀、萊曼阿爾法太陽望遠(yuǎn)鏡和硬X射線成像儀，旨在深入研究“一磁兩暴”（即太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射）這一核心科學(xué)問題。

從左往右依次為懷柔太陽望遠(yuǎn)鏡、1米新真空太陽望遠(yuǎn)鏡、建造中的“2.5米大視場高分辨率太陽望遠(yuǎn)鏡”本體。（圖片來源：中國科學(xué)院國家天文臺、中國科學(xué)院云南天文臺撫仙湖太陽觀測站、南京大學(xué)官網(wǎng)）

那么，探測太陽系內(nèi)的磁場，光靠強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡就夠了嗎？答案是：遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。太陽望遠(yuǎn)鏡屬于“隔空觀察”的遙感手段，如同通過分析隨風(fēng)飄來的花香，以此推測遠(yuǎn)方花園中花卉的種類構(gòu)成——雖能勾勒大概，但難查細(xì)節(jié)。這種探測方法存在多種局限性：精度不夠高，容易受太空環(huán)境及地球大氣的干擾；太陽的光熱效應(yīng)會導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部產(chǎn)生氣流，破壞成像清晰度等。更麻煩的是，對于像火星、金星這種自身不發(fā)光的行星，遙感手段幾乎完全失效。

所以，想要真正深入理解太陽系的空間環(huán)境，僅僅“遠(yuǎn)觀”是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。我們必須派出探測器，親臨現(xiàn)場，進(jìn)行“零距離”的磁場原位測量，才能解開更多謎題。

磁場原位測量：宇宙深處的“磁場偵探”

磁場原位測量，指直接把磁場測量儀送到目標(biāo)地點(diǎn)，在真實(shí)環(huán)境中對磁場進(jìn)行“現(xiàn)場直播”式的測量。其實(shí)，我們在地球上通過指南針、磁通門磁力計(jì)、量子磁力計(jì)等儀器探測磁場，都屬于原位測量。但要將儀器送入太空、抵達(dá)目標(biāo)天體，難度系數(shù)直線飆升——它們不僅需要能承受火箭發(fā)射的沖擊，還需要在嚴(yán)酷的太空環(huán)境中保持穩(wěn)定運(yùn)行。

好在航天技術(shù)突飛猛進(jìn)，人類的磁場探測器已經(jīng)拜訪過水星（NASA的“信使號”）、金星（歐空局的“金星快車”）、火星（中國的“天問一號”）、木星（NASA的“朱諾號”）等多個太陽系行星。它們傳回的數(shù)據(jù)，幫助我們繪制了這些行星的磁場圖像。

但要說到挑戰(zhàn)之最，非太陽磁場原位測量莫屬！派探測器去太陽附近，需要直面一個極端惡劣的高溫、高輻射環(huán)境，簡直像天方夜譚。然而，科學(xué)家和工程師們的想象和探索從未停止。2018年，NASA的“帕克”太陽探測器橫空出世，勇闖日冕（距太陽表面約9個太陽半徑），它傳回的磁場數(shù)據(jù)刷新了我們對太陽的認(rèn)識。中國也在積極推進(jìn)太陽抵近探測計(jì)劃（SCOPE）[2]，目標(biāo)直指距太陽中心僅5個太陽半徑的禁區(qū)，誓要破解日冕加熱等世紀(jì)謎題。

從左往右依次為“天問一號”、“天問一號”火星車“祝融號”、“帕克”太陽探測器。（圖片來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)期刊中心，NASA）

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太陽物理的三大未解之謎

日冕加熱之謎：太陽表面僅約6千攝氏度，但太陽最外層大氣（日冕）卻高達(dá)百萬攝氏度。太陽的熱源是太陽中心的核聚變，那么熱量如何從6千度的“低溫”太陽表面?zhèn)鬟f到1百萬度的高溫日冕？

太陽活動周期之謎：太陽黑子等活動現(xiàn)象表現(xiàn)出約11年的周期性變化，但其磁場的起源和周期性的驅(qū)動機(jī)制尚不明確。

太陽爆發(fā)預(yù)測難題：耀斑、日冕物質(zhì)拋射猶如宇宙“臺風(fēng)”，難以準(zhǔn)確預(yù)測。

這些謎題的核心鑰匙，正是磁場。破解它們需要更強(qiáng)大的磁場原位測量技術(shù)。

上面這些“勇敢”的探測器，它們的原位磁測量載荷采用的都是磁通門磁力計(jì)，工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律。簡單理解：它有一個容易磁化的磁芯，給它通上交變的激勵電流，當(dāng)外界有磁場時，磁芯的磁化狀態(tài)發(fā)生變化，這種變化被感應(yīng)線圈“捕捉”到，轉(zhuǎn)化成電信號，從而測出磁場。

1963年，磁通門磁力計(jì)搭載于“水手二號”探測器，用于研究金星磁場，目前已廣泛應(yīng)用于行星及太陽磁場的原位探測。它的優(yōu)勢是技術(shù)成熟、空間適應(yīng)性強(qiáng)，能夠測量微弱的直流或低頻磁場，精度可達(dá)到0.1納特斯拉（nT）量級，僅為地球磁場強(qiáng)度的幾萬分之一。

然而隨著科學(xué)探索不斷深入，科學(xué)家對磁場測量技術(shù)要求越來越高。尤其在太陽物理領(lǐng)域，日冕磁場的變化既微弱又轉(zhuǎn)瞬即逝。想要捕捉太陽磁場的變化細(xì)節(jié)，理解太陽爆發(fā)（如耀斑、日冕物質(zhì)拋射）的機(jī)制，就需要精度更高，測的更快（更高采樣頻率）的磁力計(jì)。磁通門磁力計(jì)在這些方面逐漸顯得“力不從心”。我們急需更強(qiáng)大的下一代磁場原位測量技術(shù)！

左：“天問一號”磁測量載荷：磁通門磁力計(jì)；右：“天問一號”磁通門磁力計(jì)傳感器。（圖片來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)期刊中心）

光學(xué)磁力計(jì)——下一代“磁場神探”

近年來，光學(xué)磁力計(jì)異軍突起，憑借其超高靈敏度、高空間分辨率、高頻率等優(yōu)勢，成為磁場原位測量的新希望，在深空磁場探測領(lǐng)域潛力巨大。代表性的有原子磁力計(jì)、金剛石NV色心磁力計(jì)、光腔磁力計(jì)等。

原子磁力計(jì)

原子磁力計(jì)種類較多，主要包括無自旋交換弛豫（Spin-exchange relaxation-free, SERF）原子磁力計(jì)、相干布居囚禁（Coherent Population Trapping, CPT）原子磁力計(jì)、光泵磁力計(jì)等。

SERF磁力計(jì)：利用堿金屬原子自旋在近零磁場下的無自旋交換弛豫效應(yīng)，通過激光探測其拉莫爾進(jìn)動來測量磁場，是目前靈敏度最高的磁力計(jì)，可達(dá)亞fT/Hz1/2。（fT，飛特斯拉，1 fT=10-15 T）

在科研進(jìn)展方面，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)彭新華教授、江敏教授團(tuán)隊(duì)成功制備出具有協(xié)同效應(yīng)的原子核自旋，磁場測量靈敏度達(dá)到4 fT/Hz1/2[3]。北京航空航天大學(xué)大科學(xué)裝置研究院房建成院士團(tuán)隊(duì)開發(fā)的SERF原子磁力計(jì)裝置已達(dá)到0.089 fT/Hz1/2的靈敏度。

在商業(yè)應(yīng)用方面，美國已成功開發(fā)出測量范圍為5 nT、靈敏度為15 fT/Hz1/2的產(chǎn)品，我國的國器傳感技術(shù)有限公司（北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)孵化企業(yè)）也成功研制了探頭體積為3.8cm3、靈敏度為10 fT/Hz1/2的原子磁力計(jì)。不過，該方案也有個“硬傷”，要求在近零磁場環(huán)境下工作，因此需要磁屏蔽或主動磁補(bǔ)償，目前主要用于地面極弱磁測量，深空探測應(yīng)用尚在驗(yàn)證階段。

CPT磁力計(jì)：利用相干布居囚禁效應(yīng)和原子精細(xì)結(jié)構(gòu)能級在磁場中的塞曼分裂現(xiàn)象進(jìn)行磁場測量。1992年，德國馬克斯·普朗克研究所首次提出了CPT磁力儀的概念，并從理論上預(yù)測其靈敏度可高達(dá)0.1fT/Hz1/2。自此，全球多個國家紛紛投身于CPT磁力計(jì)的研究熱潮中。這一技術(shù)已經(jīng)被用于空間磁測量載荷，比如我國的“澳科一號”、“張衡一號”、SATech-01衛(wèi)星等。但它通常只能測量標(biāo)量磁場，常與磁通門磁力計(jì)配合使用，成為校正后者“零漂”的黃金搭檔。

SATech-01衛(wèi)星磁測量載荷，包括AMR三軸磁阻磁力儀及CPT原子磁力儀。（圖片來源：國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

金剛石NV色心磁力計(jì)

NV色心是金剛石晶格中一個氮原子取代碳原子并鄰近一個空位形成的發(fā)光缺陷。金剛石中的氮空位缺陷如同一個微小的“量子陀螺”，其自旋狀態(tài)會隨磁場變化而改變（原理仍然是塞曼效應(yīng)）。這種磁力計(jì)空間分辨率可達(dá)納米級，甚至能對單個細(xì)胞內(nèi)的磁場進(jìn)行成像，極端環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，靈敏度可達(dá)pT/Hz1/2量級[4] (pT，皮特斯拉，1 pT=10-12 T)，目前主要用于對磁性材料、集成電路、生物組織等進(jìn)行高空間分辨的磁場成像和定量測量。不過，該技術(shù)在深空磁場原位探測方面仍處于驗(yàn)證階段。2024年，加拿大SBQuantum公司宣布與歐洲航天局（ESA）合作，開發(fā)能夠從太空提供準(zhǔn)確讀數(shù)的金剛石NV色心磁力計(jì)，推動其邁向太空應(yīng)用。

光腔磁力計(jì)

除了以上兩種量子磁力計(jì)外，光腔磁力計(jì)近年來也發(fā)展迅速。它的核心創(chuàng)新在于將光學(xué)腔的高精密測量特性和磁性物質(zhì)巧妙結(jié)合。光學(xué)腔就像一個精密調(diào)諧的共鳴箱，光線在其中來回反射、疊加，極大地增強(qiáng)了光與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)外界磁場變化引起磁敏感材料產(chǎn)生微小形變（磁致伸縮材料）或改變光學(xué)特性（磁光材料）時，這種變化會被光學(xué)腔極大地放大，從而實(shí)現(xiàn)對磁場的高精度測量。

目前，光學(xué)腔的技術(shù)路徑多樣，主要包括法布里-珀羅腔、回音壁模式微腔（微盤、微環(huán)）以及光纖腔等。光腔磁力計(jì)近年來性能大幅提升，清華大學(xué)劉永椿團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化磁致伸縮材料和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了620 fT/Hz1/2的靈敏度[5]。中國科學(xué)院物理研究所李貝貝團(tuán)隊(duì)則采用非晶態(tài)FeGaB合金作為磁致伸縮材料，結(jié)合激光頻率失諧優(yōu)化以抑制技術(shù)噪聲，實(shí)現(xiàn)了靈敏度為1.68 pT/Hz1/2且具備量產(chǎn)潛力的微腔磁力計(jì)[6]。

除了磁致伸縮材料，磁光材料也同樣大有可為。磁光材料是一類在磁場作用下能改變光傳輸特性的功能材料，其核心是磁光效應(yīng)，如法拉第效應(yīng)和克爾效應(yīng)。磁場的變化會導(dǎo)致材料光學(xué)性質(zhì)的改變，從而實(shí)現(xiàn)精密測量。

基于磁光材料與光學(xué)腔的耦合，我所在研究團(tuán)隊(duì)建立了高精度的磁場測量系統(tǒng)。在前期工作中，我們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下檢測出地磁場的微小變化。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步創(chuàng)新，將液晶材料同時插入光學(xué)腔中，利用液晶的線二色性構(gòu)造了非厄米系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了靈敏度的增強(qiáng)[7]。以上工作雖然處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和科學(xué)探索階段，但為基于磁光效應(yīng)的光腔磁力計(jì)研發(fā)鋪平了道路。然而，從實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證邁向成熟儀器的研發(fā)，還面臨許多新的挑戰(zhàn)，任重而道遠(yuǎn)。

左：基于法布里-玻羅腔的磁場測量裝置；右：基于法布里-玻羅腔的非厄米磁力計(jì)方案圖。

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光學(xué)小百科

什么是“法拉第效應(yīng)”？

當(dāng)一束平面偏振光通過置于磁場中的磁光介質(zhì)時，平面偏振光的偏振面就會隨著平行于光線方向的磁場發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這個現(xiàn)象是由于磁光材料施加磁場后對左右旋圓偏振光的折射率產(chǎn)生差異而導(dǎo)致的。

磁光介質(zhì)插入光學(xué)腔中會怎么樣？

光學(xué)腔，基于多光束干涉，能將光線“困在”其中，使其來回反射并產(chǎn)生共振。共振頻率與光學(xué)腔的腔長和介質(zhì)折射率有關(guān)。將磁光介質(zhì)插入光學(xué)腔中，由于磁光材料對左右旋圓偏振光的折射率不同，導(dǎo)致左右旋圓偏振光在光學(xué)腔中的光程不同，最終體現(xiàn)為光學(xué)共振頻率不同，通過測量左右旋圓偏振光的共振頻率差可以計(jì)算出磁場。

光學(xué)磁力計(jì)的巨大優(yōu)勢和潛力使其成為各國競相研究的目標(biāo)。盡管光學(xué)磁力計(jì)在實(shí)驗(yàn)室表現(xiàn)出色，但要從實(shí)驗(yàn)室走向深空，還需要克服諸多挑戰(zhàn)。空間環(huán)境適應(yīng)性是首要難題——太空中極端的溫度、強(qiáng)輻射環(huán)境都對精密光學(xué)設(shè)備構(gòu)成很大威脅。工程化與可靠性是另一大挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)室裝置可以精心呵護(hù)，但太空探測器上的設(shè)備必須能夠長期自主穩(wěn)定運(yùn)行，對光學(xué)磁力計(jì)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性提出了高要求。

不同類型的光學(xué)磁力計(jì)各有千秋，沒有一種磁力計(jì)能在所有場景下都表現(xiàn)最佳。因此未來的太空任務(wù)可能會攜帶多種磁力計(jì)，讓我們拭目以待。

結(jié)語：一場對宇宙無形之力的偉大遠(yuǎn)征

從指南針的樸素指引到“帕克”探測器的壯烈遠(yuǎn)征，人類認(rèn)知磁場的歷史，是一部不斷靠近觀測對象、不斷提升感知精度的偉大史詩。磁場原位測量，作為我們伸向宇宙的“觸角”，已經(jīng)描繪了行星的磁場面貌，并正深入太陽的禁地。

可以期待，在不遠(yuǎn)的將來，光學(xué)磁力計(jì)將搭乘更先進(jìn)的探測器，飛向太陽的灼熱懷抱，潛入行星的狂暴磁層，甚至游弋于星際空間。屆時，它們將以前所未有的精度聆聽宇宙磁場的壯麗交響，為我們揭示宇宙最深層的奧秘。這場對宇宙無形之力的零距離探秘，將是人類好奇心和智慧最激動人心的遠(yuǎn)征之一。

參考資料：

[1] 懷柔太陽觀測站簡介．中國科學(xué)院國家天文臺．2017-10-10
[2] 林雋，等. 太陽抵近探測計(jì)劃——觀測位置的新突破［J］.上海航天（中英文），2024，41（5）1-10.
[3] Xu, MX. et al. Phys. Rev. Lett. 133, 133202 (2024).
[4] Wang, ZC. et al. Sci. Adv. 8, eabq8158 (2022).
[5] Xu, AN. et al. Phys. Rev. Lett. 133, 153601 (2024).
[6] Hu, ZG. et al. Light Sci Appl. 13, 279 (2024).
[7] Ruan, YP. et al. Nat. Photon. 19, 109–115 (2025).

來源：科學(xué)大院

編輯：測不準(zhǔn)的小陽

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