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科普之窗

“探日”零的突破

——我國首顆太陽探測科學技術試驗衛星“羲和號”成果正式發布

馮杰

2022-08-31 02:33

本報記者 陳海波 袁于飛
光明日報( 2022年08月31日 08版)

8月30日,我國首顆太陽探測科學技術試驗衛星“羲和號”成果正式發布。這些探日成果,以太陽科學探測和新型衛星技術為主,創下5個國際首次。

“實現了我國空間太陽探測成果零的突破,標志著我國正式步入自主‘探日’時代?!备叻謱m椆こ炭傇O計師兼副總指揮、國家航天局對地觀測與數據中心主任趙堅如此形容。

五個國際首次

“羲和號”的學名,叫作太陽Hα(氫阿爾法)光譜探測與雙超平臺科學技術試驗衛星,于2021年10月14日發射升空,運行于平均高度為517公里的太陽同步軌道,主要科學載荷為太陽Hα成像光譜儀。

近一年來,國家航天局組織航天科技集團、南京大學等工程任務團隊,開展衛星平臺超高指向精度、超高穩定度技術試驗300余次,太陽光譜成像1000余次,圓滿完成了“羲和號”在軌測試和試驗工作。這些努力,取得了重要成果,其中5項為國際首次。

作為我國首位太陽專屬“攝影師”,“羲和號”在太陽科學探測方面成功實現兩個“國際首次”:國際首次空間太陽Hα波段光譜掃描成像,國際首次在軌獲取太陽Hα譜線、SiΙ(硅一)譜線和FeΙ(鐵一)譜線的精細結構。

“根據這些譜線的精細結構,可反演出高精度的全日面色球和光球多普勒速度場,發生在太陽大氣中的活動可被詳細記錄到,進而研究太陽活動的物理過程?!壁w堅說。

除了太陽科學探測,“羲和號”在新型衛星技術試驗方面取得3個“國際首次”成果:實現國際首次主從協同非接觸“雙超”(超高指向精度、超高穩定度)衛星平臺技術在軌性能驗證及工程應用;實現國際首臺太陽空間Hα成像光譜儀在軌應用;實現國際首臺原子鑒頻太陽測速導航儀在軌驗證。

“羲和號”衛星系統總指揮陳建新解釋,在太空中,衛星載荷一次微小的振動,都會使得成像效果失之毫厘、謬之千里?!半p超”衛星平臺打破傳統衛星平臺微振動“難測、難控”的技術瓶頸,采用磁浮控制技術,將平臺與載荷的物理接觸徹底隔絕,確保載荷成像不受平臺擾動的影響,讓其拍照“更穩、更準”,將我國衛星平臺的姿態控制水平提升了1至2個數量級,達到國際先進水平。

未來,“雙超”平臺技術將在高分辨率遙感、太陽立體探測、系外行星發現等新一代航天任務中得到推廣應用,推動我國空間技術的跨越式發展。

給太陽做深度“CT”掃描

在五個國際首次中,Hα波段光譜掃描成像特別值得關注。

對太陽物理研究而言,太陽Hα譜線十分重要。它是光子與氫原子相互作用后電子能級躍遷產生的譜線之一,是太陽爆發時響應最強的色球譜線,能夠直接反映爆發的源區特征。對這條譜線開展探測,可以大大提高我們對太陽爆發物理機制的認識。

太陽大氣從里向外,可分為光球層、色球層和日冕層。與以往太陽探測衛星主要通過紫外和X射線對太陽高層大氣日冕層進行觀測不同,“羲和號”衛星配備的太陽空間Hα成像光譜儀,專門觀測太陽低層大氣光球和色球,從而全面了解太陽活動的演化過程和物理機制。

“‘羲和號’衛星在軌開展的相關試驗,是國際上第一次在太空進行Hα譜線研究?!壁w堅說,此前,人類只能在地球上探測太陽Hα譜線,但由于受大氣干擾,探測數據不連續、不穩定。

據“羲和號”衛星首席科學家丁明德介紹,“羲和號”可以在46秒內掃描全日面,獲得約1600萬個點的光譜信息,這是以往太陽觀測從未實現的。通過一次掃描可獲得376個波長位置的太陽圖像,不同波長對應了光球和色球不同的大氣層次,相當于給太陽低層大氣做了一次深度“CT”掃描。

通過深度“CT”掃描,獲得精細的色球和光球二維光譜數據,可以更加準確地獲得太陽爆發時大氣溫度、速度等物理量的變化,進而建立太陽爆發從光球到日冕的能量積累、釋放、傳輸的完整物理模型。這對研究太陽爆發的動力學過程及物理機制提供關鍵依據,對太陽低層大氣和太陽爆發的觀測具有重要意義。

目前,“羲和號”每天都在按照既定任務計劃開展科學觀測,已經觀測到了近百個太陽爆發活動,相關研究工作正在開展。

全球進入太陽研究新的高峰期

為什么要探日?

作為太陽系的中心天體,太陽對地球的影響無所不在。

“太陽爆發產生大量帶電高能粒子,對地球電磁環境造成嚴重破壞,其中尤以太陽黑子、耀斑和日冕物質拋射對地球電磁環境影響最為顯著?!壁w堅解釋,強耀斑和日冕物質拋射等太陽活動干擾通信和導航、威脅航天員的健康,甚至毀壞航天器,對太陽活動的觀測和研究不僅具有重要的科學意義,更具有巨大的應用價值。此外,通過對太陽的探測,人類可以深入了解天體磁場的起源和演化、高能粒子的加速和傳播等重要物理過程,對天體物理學研究具有重要意義。

人類對太陽的觀測和研究已有400多年歷史,但對太陽的科學認識仍然很不夠。自20世紀60年代以來,隨著航天技術的快速發展,全世界已發射了70多顆太陽觀測衛星,聚焦太陽黑子、耀斑和日冕物質拋射等的觀測和研究。

“太陽活動周期約11年,2021年至2022年是人類有記錄以來第25個太陽活動周期的開始,全世界又進入太陽研究新的高峰期。探測和研究太陽活動,提出應對措施,可以降低或規避對地球的不利影響?!壁w堅說。

“羲和號”科學數據向全球開放共享

“羲和號”的成功發射和在軌應用,讓我們的科學家可以“站高望遠”,也更加自主。

趙堅告訴記者,國際太陽探測發展變化很快,我國在太陽觀測領域發表論文數量已居世界第二位,但是使用的數據均來自國外衛星數據。

“‘羲和號’打破了我們在此領域的被動局面?!壁w堅說。

自主的同時,我們還要開放——“羲和號”的科學數據向全球開放共享。

目前,國家航天局牽頭成立了衛星數據科學委員會,制定了數據政策,供國內外科學家研究、使用、共享衛星探測數據?!傲幃a生更多的原創性科學成果,為人類科學事業作出中國貢獻?!壁w堅說。


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2022-08-31 10:33
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