揭秘“?羲和號(hào)”衛(wèi)星：太陽Hα光譜探測(cè)為何重要？“探日”時(shí)代如何三步走？

日前，中國(guó)首顆太陽探測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號(hào)” 成功發(fā)射，標(biāo)志著 中國(guó)正式步入“探日”時(shí)代。我們?yōu)楹我ヌ綔y(cè)太陽？需要克服哪些技術(shù)難點(diǎn)？

采訪專家：

方 成（“羲和號(hào)”衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士）

焦維新（北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授）

郭 洋（南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院副教授）

10月14日18時(shí)51分， 太原衛(wèi)星發(fā)射中心，這是中國(guó)太空探索一個(gè)新的見證歷史的時(shí)刻，搭載著我國(guó)首顆太陽探測(cè)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號(hào)”的長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功發(fā)射，我國(guó)正式步入空間探日的新時(shí)代。

▲10月14日，我國(guó)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射首顆太陽探測(cè)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號(hào)”

長(zhǎng)期以來，中國(guó)的科研力量主要都是在地球的地面上對(duì)太陽展開觀測(cè)研究，“羲和號(hào)”作為中國(guó)自主發(fā)射的首顆太陽探測(cè)衛(wèi)星，為中國(guó)的太陽探測(cè)打開了全新的一頁(yè)。

“羲和號(hào)”成為探測(cè)太陽的探路先鋒

中國(guó)本次發(fā)射的“羲和號(hào)”備受矚目，這與羲和這個(gè)名字也有很大的關(guān)系。羲和是中國(guó)上古傳說中的人物，但來歷有不同的版本，有人說羲和是神話傳說中的太陽神，也有人說它是“羲氏”與“和氏”的并稱（傳說在上古時(shí)期，堯帝曾經(jīng)命羲仲、羲叔、和仲、和叔兩對(duì)兄弟分散駐扎在四方，夜觀天象，編纂歷法）。在對(duì)太陽探測(cè)衛(wèi)星的征名活動(dòng)中，曦和打敗了夸父等一系列選項(xiàng)中的名字最終脫穎而出。

▲藝術(shù)家創(chuàng)作的中國(guó)神話傳說的太陽女神羲和駕著六條龍

“羲和號(hào)”全稱太陽Hα光譜探測(cè)與雙超平臺(tái)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，是我國(guó)首顆太陽探測(cè)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，它的個(gè)頭并不大，只是一個(gè)重508公斤的輕量級(jí)選手。但是“羲和號(hào)”的發(fā)射對(duì)中國(guó)太陽探測(cè)研究意義十分重大，作為我國(guó)探測(cè)太陽的探路先鋒，“羲和號(hào)”開展的相關(guān)一些探測(cè)技術(shù)具有實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，可以為后續(xù)的探測(cè)研究提供重要參考信息和數(shù)據(jù)，以便后續(xù)的調(diào)整和升級(jí)。 其次，作為擁有雙超平臺(tái)（超高指向精度+超高穩(wěn)定度平臺(tái)）且主要科學(xué)載荷為Hα成像光譜儀的探測(cè)器，羲和號(hào)還肩負(fù)著通過Hα波段給太陽拍“X光片”的重任。

▲整裝待發(fā)的“羲和號(hào)”科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星

據(jù)了解，此前國(guó)際上對(duì)太陽的探測(cè)主要是通過紫外線或X射線，探測(cè)對(duì)象為太陽的高層大氣，而可見光等波段觀測(cè)主要基于地面望遠(yuǎn)鏡。“羲和號(hào)”衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士方成在接受記者采訪時(shí)表示，這是國(guó)際首次太陽Hα波段光譜成像的空間探測(cè)，這個(gè)探測(cè)范圍以前國(guó)內(nèi)國(guó)際都還沒有做過，這將填補(bǔ)太陽爆發(fā)源區(qū)高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)的空白，并且雙超平臺(tái)的使用使其觀測(cè)精度和穩(wěn)定性要比以往的探測(cè)器高一到二個(gè)量級(jí)，這能夠提高我國(guó)在太陽物理領(lǐng)域的研究能力，對(duì)我國(guó)空間科學(xué)探測(cè)及衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

盡管此前中國(guó)發(fā)射到太空的衛(wèi)星也搭載過一些太陽觀測(cè)的設(shè)備和儀器，但都是配角的角色，能夠取得的科研成果也比較有限，“羲和號(hào)”作為我國(guó)首個(gè)天基太陽探測(cè)器，被寄予了更多的期待。

“如果我們這次的一些創(chuàng)新成功了，未來就可以大規(guī)模地應(yīng)用到我國(guó)的空間觀測(cè)領(lǐng)域?！狈匠杀硎?。

為何要從太空來探測(cè)太陽？

太陽目前正處于壯年期(壽命約100億年)，是一顆時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生氫、氦核聚變、發(fā)光發(fā)熱的巨大恒星，為我們藍(lán)色地球帶來了光明與能量，是地球萬物生長(zhǎng)的源泉。北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授焦維新在接受記者采訪時(shí)表示，太陽對(duì)地球演化和人類文明發(fā)展的作用是不可或缺的，萬物的生長(zhǎng)都不能離開太陽，同時(shí)太陽對(duì)地球的影響也是無所不在。

焦維新告訴記者，在農(nóng)耕時(shí)代，太陽對(duì)人類生產(chǎn)和生活的破壞性影響并不顯著，但是進(jìn)入現(xiàn)代文明以后，太陽的影響開始變得越來越大，主要體現(xiàn)在太陽爆發(fā)產(chǎn)生大量帶電高能粒子，對(duì)地球電磁環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，其中尤以太陽黑子、耀斑和日冕物質(zhì)拋射對(duì)地球電磁環(huán)境影響最為顯著。

▲太陽黑子大爆發(fā)

方成表示，現(xiàn)在出現(xiàn)的一些災(zāi)害性天氣都是由于太陽的爆發(fā)所引起的，另外空間災(zāi)害性天氣來了以后，它會(huì)影響衛(wèi)星的順利運(yùn)行，影響導(dǎo)航系統(tǒng)和通信，以及地面的電力系統(tǒng)、石油管道等等，影響范圍十分廣泛。往往太陽活動(dòng)輕微的爆發(fā)，就會(huì)給人類社會(huì)造成非常大的損壞。因此，人類需要花大力氣探測(cè)太陽的活動(dòng)，從而做到防患于未然。

盡管人類觀測(cè)太陽的活動(dòng)具有漫長(zhǎng)的歷史，但是長(zhǎng)期以來，我們一直都是在地球上進(jìn)行太陽活動(dòng)的觀測(cè)，直到上個(gè)世紀(jì)中葉人類才走向天基探測(cè)太陽的步伐。1960年3月，美國(guó)成功發(fā)射“先驅(qū)者5號(hào)”，用于探測(cè)地球與金星行星磁場(chǎng)，“先驅(qū)者5號(hào)”同時(shí)記錄了太陽風(fēng)、太陽粒子活動(dòng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，開啟了太陽探索的衛(wèi)星時(shí)代。其后，美國(guó)又先后發(fā)射16顆衛(wèi)星進(jìn)行太陽活動(dòng)的相關(guān)探索，包括“太陽神號(hào)”“尤利西斯號(hào)”等等。此外，其他一些歐美國(guó)家以及日本也相繼發(fā)射太陽探測(cè)器，并在太陽空間探測(cè)方面取得了豐碩的成果。但是因?yàn)槎喾矫娴挠绊懞椭萍s，長(zhǎng)期以來中國(guó)并沒有發(fā)射獨(dú)立的太陽探測(cè)器，主要還是在地面探測(cè)太陽的活動(dòng)。

（制圖/秦童）

焦維新表示，在地面觀察太陽的活動(dòng)，地面上的可見光波段觀測(cè)會(huì)受到地球大氣吸收、擾動(dòng)等因素的影響，觀測(cè)分辨率很低，天氣的變化也導(dǎo)致太陽觀測(cè)無法全天候地進(jìn)行，因此很多觀察效果和成果要受到很大的限制。然而在太空中近乎真空的環(huán)境，就可以全天候持續(xù)不斷地對(duì)太陽的活動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，這是天基探測(cè)器的巨大優(yōu)勢(shì)。

因此，“羲和號(hào)”開啟了中國(guó)天基觀測(cè)太陽的新時(shí)代。據(jù)了解，“羲和號(hào)”設(shè)計(jì)壽命3年，運(yùn)行于517千米高度、傾角98度的太陽同步軌道，該軌道將經(jīng)過地球的南北極，能夠24小時(shí)連續(xù)地對(duì)太陽進(jìn)行觀測(cè)。它的一些觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，是地面觀測(cè)基地?zé)o法比擬的。

太陽Hα光譜探測(cè)為何重要？

太陽Hα波段的光譜探測(cè)為何非常重要？許多非專業(yè)人士可能不太明白。為了便于理解，可以先來了解一下氫（H）原子光譜，該光譜指的是氫原子內(nèi)的電子在不同能級(jí)躍遷時(shí)所發(fā)射或吸收不同波長(zhǎng)、能量之光子而得到的光譜。其中，太陽Hα是廣泛用來觀測(cè)耀斑及暗條等眾多太陽活動(dòng)現(xiàn)象的一條重要譜線。

▲Hα波段下的全日面像（攝影：Alan Friedman）

南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院副教授郭洋告訴記者，Hα波段的波長(zhǎng)位于可見光的紅光范圍內(nèi)，是氫原子在接收能量時(shí)，其中的電子發(fā)生電離躍遷的產(chǎn)物。太陽Hα光譜儀是觀測(cè)太陽Hα光譜的儀器，放置于“羲和號(hào)”的載荷艙。研究人員通過Hα光譜圖，可以觀察太陽光球?qū)蛹吧驅(qū)拥奶卣鳎粉櫡治鋈甄淼幕顒?dòng)，收集太陽耀斑爆發(fā)時(shí)的各種物理數(shù)據(jù)，從而為我國(guó)探日工程的推進(jìn)打下基礎(chǔ)。

本次中國(guó)發(fā)射的“羲和號(hào)”也恰逢其時(shí)。太陽活動(dòng)周期約11年，2021年至2022年是人類有記錄以來第25個(gè)太陽活動(dòng)周期的開始，全世界又進(jìn)入太陽研究新的高峰期，這也給“羲和號(hào)”大顯身手提供了很好的機(jī)遇。

方成院士數(shù)十年來一直在從事太陽物理的研究，曾經(jīng)主持設(shè)計(jì)和研制了我國(guó)第一座太陽塔，創(chuàng)建了太陽塔實(shí)驗(yàn)室，在太陽耀斑、日珥、黑子等領(lǐng)域的研究都取得了豐碩的成果。他告訴記者，從2016年開始，他和研究團(tuán)隊(duì)就開始著手太陽Hα波段探測(cè)項(xiàng)目，在經(jīng)過很多討論和研究以后，2019年該項(xiàng)目正式立項(xiàng)，將衛(wèi)星的研制變成了現(xiàn)實(shí)。

“做這個(gè)項(xiàng)目的時(shí)候我們就要明確我們瞄準(zhǔn)的是什么目標(biāo)，要完成什么樣的指標(biāo)，怎樣做才能讓本項(xiàng)目的探測(cè)達(dá)到世界先進(jìn)水平或者是領(lǐng)先水平?！狈匠杀硎尽?/p>

據(jù)悉，方成所在的南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)共有十多位研究人員參與了本項(xiàng)目的研究，此次使用Hα波段開展衛(wèi)星探測(cè)，通過對(duì)Hα光譜的數(shù)據(jù)分析，研究團(tuán)隊(duì)可獲得太陽爆發(fā)時(shí)大氣溫度、速度等物理量的變化，這將有助于研究太陽爆發(fā)的動(dòng)力學(xué)過程及物理機(jī)制，為解決“太陽爆發(fā)由里及表能量傳輸全過程物理模型”等科學(xué)問題提供一些重要支撐。

方成和他的研究團(tuán)隊(duì)也希望中國(guó)的首次天基太陽探測(cè)活動(dòng)旗開得勝，好為后續(xù)的研究和探測(cè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也能夠在客觀上推動(dòng)我國(guó)太陽探測(cè)工程進(jìn)入快車道。

天地協(xié)同體系共揭太陽神秘面紗

未來幾年，“羲和號(hào)”將與我國(guó)即將發(fā)射的天基太陽天文臺(tái)衛(wèi)星（預(yù)計(jì)2022年發(fā)射），以及世界上最大軸對(duì)稱太陽望遠(yuǎn)鏡（在建）等地面觀測(cè)設(shè)施，構(gòu)建天地協(xié)同體系，揭開太陽的神秘面紗。

郭洋表示，“羲和號(hào)”衛(wèi)星的發(fā)射只是我國(guó)太陽探測(cè)新階段的第一步，接下來我國(guó)將進(jìn)一步推進(jìn)對(duì)太陽的深空探測(cè)，未來我國(guó)將向太陽發(fā)射更多衛(wèi)星，對(duì)太陽進(jìn)行全方位立體性觀測(cè)。

▲太陽耀斑

中國(guó)目前已經(jīng)制定了兩個(gè)太陽探測(cè)計(jì)劃，分別是“夸父”和“羲和”探測(cè)計(jì)劃。其中，“夸父計(jì)劃”是2010年中國(guó)開始正式批準(zhǔn)立項(xiàng)的第一個(gè)太陽檢測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃，“夸父計(jì)劃”由三顆衛(wèi)星組成，其中A星設(shè)置在距地球150萬千米的日地連線上，用來全天候監(jiān)測(cè)太陽活動(dòng)的發(fā)生及其伴生現(xiàn)象，另兩顆衛(wèi)星B1和B2在地球極軌大橢圓軌道上飛行，用來監(jiān)測(cè)太陽活動(dòng)導(dǎo)致的地球近地空間環(huán)境的變化。該計(jì)劃發(fā)布時(shí)引起了巨大關(guān)注，吸引了十多位國(guó)際著名空間科學(xué)家參加。后因資金問題，“夸父計(jì)劃”一直處在暫緩執(zhí)行期。

這次，“羲和號(hào)”實(shí)現(xiàn)了我國(guó)太陽探測(cè)的破冰之旅，這對(duì)“夸父計(jì)劃“也將起到很大的推動(dòng)作用。據(jù)了解，“夸父計(jì)劃”目前已被納入中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)計(jì)劃。

近日舉行的香山科學(xué)會(huì)議第711次學(xué)術(shù)討論會(huì)上，太陽探測(cè)也成為一個(gè)重要話題。中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)空間技術(shù)研究院研究員楊孟飛所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)對(duì)太陽開展立體探測(cè)提出了新的設(shè)想，即通過兩次發(fā)射任務(wù)，在2035年前后完成5個(gè)點(diǎn)位的探測(cè)器部署，構(gòu)建起環(huán)黃道面（地球公轉(zhuǎn)軌道面）、太陽極區(qū)的全方位立體探測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽全球和日地空間的立體探測(cè)。

中國(guó)近距離探測(cè)太陽也正行走在路上

數(shù)十年來，盡管人類社會(huì)已經(jīng)從各個(gè)角度觀測(cè)太陽，但礙于技術(shù)原因，都只是遠(yuǎn)遠(yuǎn)地觀測(cè)，并沒有近距離地接觸過太陽，直到“帕克號(hào)”的出現(xiàn)。

2018年8月11日，美國(guó)發(fā)射的“帕克號(hào)”太陽探測(cè)器乘坐德爾塔Ⅳ重型火箭開啟太空之旅?！芭量颂?hào)”是自人類探索太陽以來，離太陽最近的航天器，它能夠進(jìn)入日晷層，在距離太陽九個(gè)太陽半徑的軌道上對(duì)太陽進(jìn)行近距離觀測(cè)。

▲藝術(shù)家繪制的帕克太陽探測(cè)器接近的概念圖（圖片來源/NASA）

但是近距離探測(cè)太陽挑戰(zhàn)巨大，首先是速度難題。在這次任務(wù)中，“帕克號(hào)”太陽探測(cè)器將在近七年內(nèi)使用金星七次重力助推，逐漸使其軌道更接近太陽，并以每小時(shí)43萬英里（69萬千米）的速度快速掠過太陽。

此外，克服太陽的光和熱是更大的挑戰(zhàn)。太陽在日晷層的溫度高達(dá)百萬攝氏度，雖然由于粒子分布過于稀疏的原因，探測(cè)器并不會(huì)碰到這么多的高溫粒子，但探測(cè)器面對(duì)的實(shí)際溫度仍然高達(dá)1400度。

為此，NASA為“帕克號(hào)”設(shè)計(jì)了可以反射大部分熱量的陶瓷圖層與隔熱性極強(qiáng)的碳復(fù)合材料碳泡沫夾層組合共同構(gòu)成的防熱盾。在觀測(cè)時(shí)，科學(xué)儀器將處于這些材料的重重保護(hù)下，并且配備的熱傳感器還使得探測(cè)器可以即時(shí)地調(diào)整姿態(tài)，避免科學(xué)儀器在高溫下?lián)p壞。

▲NASA的工作人員正在安裝“帕克號(hào)”太陽探測(cè)器的隔熱罩（圖片來源/NASA）

到2020年1月29日，“帕克號(hào)”太陽探測(cè)器已經(jīng)完成第四次近日飛行。其上搭載的儀器對(duì)日冕中的活動(dòng)進(jìn)行了觀測(cè)，為人類理解太陽風(fēng)的起源和高能粒子物理學(xué)提供了新見解。

中國(guó)什么時(shí)候才能發(fā)射近距離的太陽探測(cè)器呢？郭洋告訴記者，當(dāng)前中國(guó)的有關(guān)近距離探測(cè)太陽的計(jì)劃已經(jīng)在行動(dòng)之中，國(guó)內(nèi)有多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)都在從事相應(yīng)的研究，其中克服接近太陽時(shí)的高溫高熱材料研發(fā)和工程保障是其中的重中之重。在不遠(yuǎn)的將來，中國(guó)近距離探測(cè)太陽的裝置也將會(huì)踏上征途。

方成透露，我國(guó)的太陽探測(cè)已經(jīng)初步制定了三步走的探測(cè)方略：第一步，衛(wèi)星發(fā)射到地球圍繞太陽轉(zhuǎn)的黃道面上，對(duì)太陽進(jìn)行不同角度的觀測(cè)；第二步是發(fā)射衛(wèi)星到發(fā)射和探測(cè)難度更大的太陽極區(qū)進(jìn)行探測(cè)；第三步是發(fā)射探測(cè)器到太陽附近區(qū)進(jìn)行觀測(cè)。我國(guó)將從容易到難，不斷提高我國(guó)對(duì)太陽的探測(cè)水平，從而幫助我們進(jìn)一步了解太陽的構(gòu)造，確定太陽活動(dòng)的三維結(jié)構(gòu)，掌握其機(jī)理和活動(dòng)規(guī)律，為造福人類、趨利避害提供更為充分、可靠的保障。

未來實(shí)現(xiàn)空間天氣研究預(yù)報(bào)

焦維新告訴記者，隨著人類太空探索技術(shù)的發(fā)展，空間天氣研究已經(jīng)成為不可忽視的重要領(lǐng)域，空間天氣學(xué)也逐步發(fā)展成為一門新型的學(xué)科，這門學(xué)科主要就是研究太陽的活動(dòng)規(guī)律，推動(dòng)空間天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展，為人類的生活和生產(chǎn)提供服務(wù)。

但是焦維新表示，作為一門應(yīng)用性的學(xué)科，空間天氣學(xué)的發(fā)展并沒有得到充分的重視，其發(fā)展已經(jīng)滯后于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，在我國(guó)這個(gè)問題也很嚴(yán)重。如果這種局面不得到扭轉(zhuǎn)，將會(huì)給我國(guó)未來的發(fā)展造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

▲太陽風(fēng)影響地球磁場(chǎng)示意圖

最近幾十年來，中國(guó)深空探索的步伐很快，月球探測(cè)、火星探測(cè)都取得了很大的突破和進(jìn)展，但是因?yàn)檎J(rèn)識(shí)、項(xiàng)目資金等多方面的原因，太陽探測(cè)的步伐比較緩慢，這種局面急需得到改觀。

“太陽是太陽系中一個(gè)最為主要的天體，它是主宰太陽系中各種運(yùn)動(dòng)的核心，對(duì)地球的氣候、溫度等多個(gè)物理要素都具有重大的影響，對(duì)它的探測(cè)是人類太空探測(cè)非常重要的一環(huán)?，F(xiàn)在我國(guó)空間技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，探月、探火等工程項(xiàng)目也進(jìn)展順利，接下來需要不斷強(qiáng)化太空領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)研究，太陽探測(cè)和研究已經(jīng)成為極為重要的事情?！狈匠杀硎?，在太陽系的天體中，除了地球以外，太陽與人類的關(guān)系最為密切，它會(huì)影響到地球系統(tǒng)整個(gè)空間的環(huán)境，現(xiàn)在中國(guó)在太空已經(jīng)發(fā)射有數(shù)百顆衛(wèi)星，空間站也正在建設(shè)的過程中，而它們長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行都需要空間天氣學(xué)來作為保障，而這就必須要通過針對(duì)太陽的探測(cè)和研究做好預(yù)報(bào)、預(yù)警工作。

“空間天氣學(xué)與我們?nèi)祟惖年P(guān)系非常重要，我國(guó)太陽探測(cè)的進(jìn)程需要加快，目前我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域和一些發(fā)達(dá)國(guó)家的差距比較大?！苯咕S新說。

撰文/記者 李鵬 圖文編輯/陳永杰

新媒體編輯/劉大珩 圖片來源/視覺中國(guó)（除署名外）

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