“羲和号”卫星—— 从太空“看”太阳

2021年11月19日08:34

来源:人民日报

  “羲和号”卫星——

  从太空“看”太阳(开卷知新)

  方 成

  《 人民日报 》( 2021年11月19日 第 20 版)

  2021年10月14日,由国家航天局批复立项的我国第一颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”在太原卫星发射中心顺利升空,拉开了我国太阳空间探测的序幕。“羲和号”的全名为太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星,简称太阳双超卫星。

  太阳观测研究,认识与人类关系最密切的恒星

  太阳是我们了解宇宙的一个窗口。这颗银河系中极其普通的恒星,是人类目前唯一可进行高时空分辨率和高光谱分辨率观测的恒星。它距地球约1.5亿公里,直径约139万公里,质量是地球的33万倍。通过观测和研究太阳,我们可以了解一些基本的天体物理过程,比如磁场的产生和演化、粒子的加速和传播、天体爆发的物理机制等。

  太阳也是宇宙中与人类关系最密切、对人类社会生活影响最大的一颗恒星。俗话说,万物生长靠太阳。太阳在地球演化和人类文明发展过程中发挥着不可替代的作用。作为距离我们最近的恒星,太阳在超过45亿年的时间里,孕育了地球上的天气、气候以及我们所依赖的生态环境。它的能量来源于自身时刻发生的氢、氦核聚变。大众熟知的光合作用,就离不开太阳的光能。太阳对人类的影响特别表现在时有发生的耀斑和日冕物质抛射现象上。耀斑是太阳局部突然增亮的爆发活动。一个中等强度的耀斑,可发射出从伽马射线到无线电波段的强大辐射,总能量相当于约10亿—100亿个原子弹爆炸。日冕物质抛射则是太阳上大规模物质爆发的现象,一次爆发能把约1亿—10亿吨物质抛射到行星际空间。这两种现象是空间灾害性天气的源头,影响空间飞行器安全甚至地球上的人类生活。因此,对太阳的观测研究同时具有重要科学意义和实际应用价值。

  从肉眼到望远镜再到空间探测器,太阳观测手段不断进步

  人类对太阳的观测由来已久,广义的观测最早可以追溯到上古时代。我国早在汉成帝河平元年(公元前28年)就有了肉眼观测太阳黑子的记录。对太阳进行系统观测则始于1610年,即伽利略发明天文望远镜后的第二年,人类开始用望远镜观测和记录太阳黑子,开启了太阳科学观测的时代。经过400多年的发展,尤其自上世纪50年代末进入太空时代以来,通过地基太阳望远镜和天基太阳探测器的联合观测,人类对太阳有了全新认识。我们了解到,太阳的内部结构可分为核心区、辐射层和对流层,太阳的大气层次可分为光球层、色球层、过渡区和日冕层。我们也在一定程度上理解了太阳活动的周期性、产生太阳磁场的发电机澳门威尼斯人在线、太阳磁场和太阳爆发的内在联系等。

  以“羲和号”为代表的太阳探测卫星,是太阳空间探测的“千里眼”。上世纪60年代以来,国际上已陆续发射70余颗太阳专用或相关卫星。近代太阳物理的许多开拓性成果都来自于这些卫星的观测,例如太阳爆发和磁重联过程、日冕结构和加热问题、太阳风的起源和传播等。我国太阳空间探测有一定成果,如神舟二号空间天文分系统取得太阳X射线和伽马射线流量数据,气象卫星风云三号E星取得在极紫外和X射线波段的成像等。但在“羲和号”之前,我们还未通过太阳专用卫星获得过观测数据。“羲和号”打破了我国无太阳探测专用卫星的历史,迈出了我国太阳空间探测的重要一步。

  “羲和号”卫星,给太阳做CT扫描

  顾名思义,太阳空间探测就是通过卫星等航天器在太空中观测太阳。“羲和号”的全名“太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星”也道出它的两方面任务:科学观测和技术试验。

  “羲和号”的研究目标是太阳低层大气,即光球层和色球层的动力学过程,以及太阳爆发活动的物理机制。太阳的光球层是我们肉眼可见的部分,在光球层上面大约2000公里的范围内,则是太阳的色球层。“羲和号”通过其主要科学载荷Hα成像光谱仪,专门观测光球层和色球层,在国际上首次实现了全日面Hα波段的光谱成像。Hα是氢原子的一条人眼可见的、红色的谱线。对于太阳物理研究而言,Hα谱线十分重要。它的线心反映了色球层的信息,线翼反映了光球层的信息。如果提高仪器光谱分辨率,将这条谱线细分,可以获得光球层和色球层不同高度处的太阳图像,相当于给太阳大气做了一次CT扫描。

  Hα波段的光谱成像,是“羲和号”实现研究目标的“金钥匙”。通过一次扫描(时间小于60秒),可以获得日面上近1600万个点的光谱信息,这是前所未有的观测。另外,“羲和号”是在太空“看”太阳,不受地球大气扰动、天气影响,避免了以往地面观测的局限性。目前,“羲和号”正处于在轨测试阶段,从得到的初步观测数据来看,数据质量达到了预期指标。未来,“羲和号”的观测数据在经过科学标定后将对全世界科学用户开放,在国际太阳物理和空间物理研究中贡献中国力量。

  在技术试验方面,“羲和号”将自身卫星平台的控制精度提高两个数量级,即“双超”(超高指向精度、超高稳定度平台)。它实现了平台舱和载荷舱“动静隔离非接触”总体设计,不仅阻断了平台舱微振动的传递路径,同时解决了平台舱热变形对载荷舱的影响。Hα成像光谱仪不再需要导行系统和稳像系统,大大降低了载荷的研制难度和成本。如果说“羲和号”是一位拍摄太阳的摄影师,那么“双超”将让他在举起相机时,瞄得快、对得准、拍得稳。未来,这种新型的卫星平台还可以广泛应用于其他高精度的空间天文探测中。

  各显神通,太阳空间探测进入新阶段

  当前,太阳空间探测已进入新阶段。高时空分辨率、高光谱分辨率、多波段、多视角探测等多种技术、多种方式各显神通。例如2018年8月发射的帕克太阳探测器可以到达距太阳约600万公里处,直接测量日冕等离子体参数,研究太阳风的起源和加速、太阳高能粒子的加速和传播、日冕加热等科学问题。2020年2月发射的太阳轨道探测器,最近可到达距太阳约4200万公里的地方,可以在一定程度上观测太阳的极区,研究诸如极区磁场和日震学等科学问题。

  在国际太阳探测的热潮中,我国的相关科研工作也将更上一层楼。目前,我国的太阳物理学界与相关工程部门已联合提出日地L5点太阳探测工程、环日探测计划、太阳极轨探测计划、太阳抵近探测计划等。这些工程和计划均属太阳空间立体探测,即从不同方向观测太阳。要想解决诸如太阳磁场的产生和演化及其与太阳活动的关系、太阳爆发的物理机制及其对空间天气的影响这类重大科学和应用问题,空间立体探测必不可少。

  以日地L5点太阳探测工程为例。该工程计划可以长期稳定地观测太阳及行星际空间环境。日地L5点与太阳和地球的连线呈等边三角形,卫星可以提前4到5天观测到即将面向地球的活动区,也可以监测太阳爆发向地球传播的整个过程。这将帮助我们探索太阳磁场的起源和演化、揭示太阳活动的三维结构和物理机制、监测太阳爆发的行星际传播和对地响应。

  从夸父逐日到羲和探日,中华民族对太阳的求知探索从未停歇。中国太阳物理科研工作者和航天工作者,将以更加坚定的信念、更为严谨的态度,继续扬帆星辰大海。

  (作者为中国科学院院士、“羲和号”科学总顾问)

  制图:赵偲汝

  推荐读物:

  《十万个为什么(第六版)·天文》:王绶琯 、方成主编;少年儿童出版社出版。

  《太阳简史》:克里斯托弗·库珀著、陈鹏飞译;人民邮电出版社出版。

  《上下百亿年:太阳的故事》:卢昌海著;清华大学出版社出版。

  《太阳之美:一颗恒星的过去、现在和未来》:谭宝林著;天津科学技术出版社出版。


编辑:Wei Wei

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