“羲和號”升空，中國迎來“探日時代”
撰文 | 龐之浩
責編 | 董惠玥
10月14日18時51分，我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射首顆太陽觀測衛(wèi)星“羲和號”——“太陽Hα光譜探測與雙超平臺科學技術(shù)試驗衛(wèi)星”，標志我國正式進入“探日時代”。
2021年底前后，我國還計劃把一個“先進天基太陽天文臺”送到地球軌道，以進一步增加對太陽的認識。
太陽是地球的生命之源，為生命提供光和熱，使萬物蔥蘢；但這個脾氣有些暴躁的火球也經(jīng)常對地球人的生活造成威脅。
現(xiàn)在人們認識到，太陽風暴對人類社會的危害越來越大，有的可導致地球磁層和電離層擾動，造成航天器軌道衰變，衛(wèi)星載荷發(fā)生故障甚至毀壞，威脅承擔載人任務(wù)的航天員的健康，干擾通信和導航系統(tǒng)，以及引起電網(wǎng)超載等等。例如，1989年發(fā)生的一次太陽風暴就使加拿大魁北克地區(qū)發(fā)生了大規(guī)模停電；2003年再次發(fā)生的太陽風暴，使瑞典電網(wǎng)電力中斷，并導致多顆在軌衛(wèi)星發(fā)生了故障。
其實，科學家們很早就開始觀測太陽，因為有兩大基本意義：一是作為宇宙中目前唯一可以進行高空間分辨表面觀測的恒星，觀測太陽具有天體物理學上的重要性；二是由于人類依存于太陽，因此需要認識太陽的變化及其對人類的影響。
可是，在地面上的可見光波段觀測太陽會受到陰雨天氣影響，導致我們無法做到連續(xù)觀測。 同時，還會受到地球大氣吸收、擾動等因素的影響，使得觀測分辨率很低。 所以，用衛(wèi)星觀測太陽就成為了解和研究太陽的一個重要技術(shù)手段。
從20世紀60年代起至今，全球已有幾十顆太陽觀測衛(wèi)星升空，以便摸清太陽的脾氣，了解太陽磁場中蘊藏的能量以及該能量對地球的影響，實現(xiàn)空間天氣預(yù)報。這不僅對認識宇宙有重大意義，而且可為有效防護太陽的危害提供可靠的依據(jù)。
1962年3月，美國發(fā)射了世界第一顆太陽觀測衛(wèi)星——軌道太陽觀測臺-1。在1962至1975年期間，美國共發(fā)射了8顆“軌道太陽觀測臺”，主要測量太陽X射線和γ射線，以及預(yù)報太陽耀斑，為載人航天任務(wù)提供空間天氣基本數(shù)據(jù)。
在1963至1976年期間，美國共發(fā)射了11顆“太陽輻射衛(wèi)星”，在十一年的太陽活動周期內(nèi)監(jiān)測了太陽耀斑事件，并預(yù)報了太陽耀斑事件。
上世紀80年代發(fā)射的“太陽峰年衛(wèi)星”
此后，美國又發(fā)射了“太陽峰年衛(wèi)星”、“太陽-磁層探測者”、“太陽異常和磁層粒子探測者”、“過渡區(qū)和日冕探測者”、“高能太陽光譜成像儀”、“太陽輻射與氣候?qū)嶒炐l(wèi)星”等一系列太陽觀測衛(wèi)星。當然，蘇聯(lián)、日本、歐洲航天局等其他國家和相關(guān)機構(gòu)也發(fā)射了一些太陽觀測衛(wèi)星。
上世紀90年代發(fā)射的“太陽異常和磁層粒子探測者”
另外，在20世紀60至90年代期間升空的“太陽神”、“尤利塞斯”等航天器，進入到日心軌道對太陽進行了觀測。第一個進入拉格朗日L1點觀測太陽的航天器是美國在1978年發(fā)射的國際日地探測者-3。接著，美國的“風”和歐洲的“太陽和日球?qū)佑^測臺”也進入到拉格朗日L1點觀測太陽。
“尤利塞斯”航天器
然而，隨著美國從20世紀90年代起開始實施“大觀測計劃”，即陸續(xù)發(fā)射了“哈勃”、“康普頓”、“錢德拉”和“斯皮策”等非太陽觀測天文衛(wèi)星后，太陽觀測衛(wèi)星發(fā)射進入了低潮。
在20世紀90年代，只有在1995年12月升空的歐洲“太陽和日球?qū)佑^測臺”最為著名，它進入到地球上方150萬千米的“日暈”軌道上，這里沒有黑夜，因此可在永遠是白晝的條件下對太陽進行不間斷的探測。 “太陽和日球?qū)佑^測臺”對太陽進行了廣泛的研究，揭示了不少其內(nèi)部深層和外部強烈的大氣活動的秘密。 而且，它不僅可以觀測太陽面向地球的一面，還能觀測太陽的另一面。
1978年發(fā)射的國際日地探測者-3
近些年來，人們發(fā)現(xiàn)太陽對地球氣候和空間天氣的影響越來越巨大。例如，太陽耀斑爆發(fā)時可將宇宙粒子噴射抵達地球，從而中斷衛(wèi)星通信，甚至導致地面供電中斷，因此監(jiān)控和研究太陽的活動性十分重要。 于是，一些國家又重新開始青睞太陽觀測衛(wèi)星的研制和發(fā)射。
2006年9月,日本用M-5火箭發(fā)射了一顆由日本抓總研制的太陽-B（又稱“日出”）衛(wèi)星。它先進入近地點高度約280千米、遠地點高度約686千米、軌道傾角為98.3°的初始軌道，用于測量太陽磁場，以更好地認識影響地球的劇烈的太陽活動。該衛(wèi)星能夠?qū)μ柎艌鲞M行迄今最近距離的觀測，通過監(jiān)控太陽磁場對太陽耀斑獲得更多的了解。
升空三周后，太陽-B衛(wèi)星進入距地面600千米高的太陽同步軌道上，從當年11月開始了正式觀測。 它每年能對太陽進行8個多月的全天連續(xù)觀測，這有助于幫助人類揭開日冕形成的原因等秘密。星上的儀器可對磁場的運動和太陽大氣層做出的反應(yīng)進行監(jiān)測，觀測重點集中在耀斑的引爆階段。通過觀測太陽系中發(fā)生的最強烈的爆炸，最終對它們發(fā)生的時間進行預(yù)測。
該衛(wèi)星用于拍攝太陽圖像和研究太陽耀斑，重點研究太陽耀斑的噴發(fā)階段，記錄太陽磁場如何儲存和釋放大量能量，測量太陽磁場運動及其對太陽大氣的影響。 它主要關(guān)注太陽耀斑的引發(fā)階段，對磁場的運動和太陽大氣層做出的反應(yīng)進行監(jiān)測，為了解和預(yù)測太陽擾動提供重要信息，幫助人們深入了解和預(yù)測太陽對地球造成的影響。
太陽-B有四大使命：
它重約900千克，裝有日本與美國和英國聯(lián)合研制的太陽光學望遠鏡、太陽X射線望遠鏡和遠紫外成像光譜儀共三臺科學觀測儀器，可觀測太陽發(fā)出的可見光、紫外線和X射線。它們協(xié)同測量太陽大氣圈的不同層圈，對太陽特性進行連續(xù)的同步觀測，觀測太陽大氣層的不同層面以及太陽表面遍布的大氣層磁場是如何變化的，幫助人們認識太陽磁場在大氣層中隨高度變化的具體情況。
口徑50厘米的太陽光學望遠鏡的角分辨率達到0.2″，并配有濾光器型磁像儀和分光偏振計，可獲取高精度的太陽矢量磁圖和多普勒圖等，是人類首臺在太陽光球?qū)觾?nèi)測量太陽磁場強度和方向的天基儀器。
“太陽和日球?qū)佑^測平臺” 記錄下的一次日冕物質(zhì)拋射，也就是CME
太陽X射線望遠鏡由其前任太陽-A衛(wèi)星配備的軟X射線望遠鏡發(fā)展而來，角分辨率達到1″，能對溫度高達50萬～1000萬℃的太陽的外大氣層日冕進行觀測。日冕是太陽耀斑和日冕噴發(fā)的發(fā)源地。在磁場的作用下，太陽的劇烈活動對太陽和地球之間的區(qū)域以及地球本身都具有極大的影響。通過觀測，可以研究太陽磁場在太陽耀斑和日冕物質(zhì)噴發(fā)時的變化。
遠紫外成像光譜用于測量色球（介于光球和日冕之間的區(qū)域）中太陽粒子的速度，同時還可以測量太陽等離子體的速度、溫度和密度及其它特性。此外，還能用來研究磁重聯(lián)等現(xiàn)象。它在太陽光學望遠鏡和太陽X射線望遠鏡之間起著關(guān)鍵的連接作用。
依靠這“三只眼”，太陽-B重點研究太陽磁場和日冕之間的相互作用，從而加深對太陽大氣動力機制等方面的了解，獲取更多有關(guān)太陽如何向外拋射高能粒子等信息。
2006年10月，美國抓總研制的一對孿生太陽觀測衛(wèi)星——“日地關(guān)系觀測臺”升空。 這兩顆衛(wèi)星主要利用在太空中相互錯開的優(yōu)越定位“注視”太陽，首次為人類展示了太陽黑子爆發(fā)時的全景三維圖像，并前所未有地展現(xiàn)了日地之間能量流動的獨特景象，幫助科學家研究了太陽周邊環(huán)境以及太陽活動對整個太陽系造成的影響，以及日冕的產(chǎn)生、活動及其噴發(fā)帶來的后果，更精準地觀測了太陽爆發(fā)。
2006年10月25日，美國用德爾他-2火箭成功發(fā)射了世界第一對孿生太陽觀測衛(wèi)星——“日地關(guān)系觀測臺”（STEREO）
“日地關(guān)系觀測臺”第一次從地球軌道傳回了太陽爆發(fā)時的三維圖像，這些圖像有助于天文學家對太陽風暴對航天員和通信衛(wèi)星所造成的影響做出準確的預(yù)測，極大地增進了對太陽爆發(fā)的了解。它還首次對日地之間的“太空天氣”進行了拍照與追蹤，首次通過無線電三角定位法連續(xù)確定了行星際激波的位置，以及首次對太陽活動進行了拍照，并在1天文單位的尺度內(nèi)對高能粒子進行了實地測量。
此前，歐洲“太陽與日光層觀測臺”在對“日冕物質(zhì)拋射”等現(xiàn)象進行觀測時，能以10～15分鐘一張的速度對太陽拍照。但是，從這些平面圖片上，科學家很難判斷“日冕物質(zhì)拋射”是直奔地球還是遠離地球而去，無法對其破壞性進行準確地觀測。在采用了“日地關(guān)系觀測臺”之后，雙星可同時完成對太陽的拍攝，能讓科學家得到一幅立體的圖像。
這對衛(wèi)星的另一項重要使命是提前預(yù)報太陽風暴，探索太陽系內(nèi)“日冕物質(zhì)拋射”的緣起、演化及星際影響，進一步認識太陽，揭示太陽與地球的本質(zhì)關(guān)系，了解太陽的穩(wěn)定性對今后地球大氣、氣候和環(huán)境的影響，減輕“日冕物質(zhì)拋射”和太陽耀斑對航天器和航天員的負面影響，把磁暴預(yù)警時間大幅縮短。
每個“日地關(guān)系觀測臺”都裝有16臺共4組探測儀器，即“日地關(guān)系日冕與日光層探測儀”、“粒子與日冕物質(zhì)拋射原位測量儀”、“等離子體與超灼熱粒子成分分析儀”和“行星際射電暴追蹤儀”。
進入繞日軌道后，雖然這對“日地關(guān)系觀測臺”的軌道與地球軌道處于同一個平面上（太陽系大多數(shù)行星的軌道都處于這個面），但它們的飛行軌道正好像照鏡子一樣對稱，始終被定位在地球的“兩側(cè)”。一個在地球圍繞太陽運行軌道的前面，被稱為“日地關(guān)系觀測臺-A”；另一個則在軌道的后面,名為“日地關(guān)系觀測臺-B”。
這是模仿人用兩只眼睛觀察事物的方法，從不同方位搜集太陽信息后將之傳送回地球；也是人類同時操縱2顆太陽觀測衛(wèi)星飛行?？茖W家再綜合原來地面實驗室在地球表面和低地球軌道觀測所得的數(shù)據(jù)，選取相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)將之合成為三維的太陽圖像，并分析太陽輻射及其對地球影響的數(shù)據(jù)。
通過對它們的觀測，科學家們首度構(gòu)建了太陽的三維視圖。這些圖像能顯示出太陽風暴環(huán)境及其對太陽系內(nèi)部的影響。這些數(shù)據(jù)對于理解太陽如何創(chuàng)造太空氣候至關(guān)重要。
2010年2月，美國“太陽動力學觀測臺”升空。 它能確保幾乎不間斷地觀察太陽磁場、噴發(fā)的等離子體和眾多其它現(xiàn)象。每天能收集到有關(guān)這些現(xiàn)象遠比現(xiàn)有衛(wèi)星收集的信息要更多，從而能更準確和更及時地預(yù)測空間天氣。該衛(wèi)星用于了解太陽變化的特征和研究太陽對氣候、通信系統(tǒng)、航天器工作的影響等問題，推進了“人類與日共存”國際空間合作計劃。
“太陽動力學觀測”衛(wèi)星
升空后的“太陽動力學觀測臺”運行在地球同步軌道，目的是為了能連續(xù)觀測太陽。衛(wèi)星上沒有安裝星載記錄器，而是使用了一個連續(xù)的下行鏈路。有關(guān)太陽信息的龐大數(shù)據(jù)流（1.5太比特/天）能讓科學家們對太陽的多種狀態(tài)和太陽對地球的影響產(chǎn)生新的理解。
該衛(wèi)星每0.75秒獲得一幅圖像（“太陽和日球?qū)佑^測臺”每12分鐘提供一張圖片，“日地關(guān)系觀測臺”每90秒提供一張圖片）。所有的圖像都有4096×4096像素，成像的分辨率比高清電視的好10倍，可揭示太陽活動的每一細節(jié)；它每天能向地面轉(zhuǎn)送1.5太比特有關(guān)太陽信息的龐大數(shù)據(jù)流。所發(fā)回的數(shù)據(jù)將是美國航空航天局以前任何一顆太陽觀測衛(wèi)星的50倍，每天向地面發(fā)送的數(shù)據(jù)相當于每天傳送50萬首歌曲。所以，它有助于研究太陽大氣，觀測太陽活動周期起因，并使得科學家們對太陽的多種狀態(tài)以及太陽對地球的影響產(chǎn)生新的理解。
“太陽動力學觀測臺”主要實現(xiàn)以下七大科學目標：
為此，“太陽動力學觀測臺”衛(wèi)星攜帶了三個主要儀器，分別是大氣成像組件、極紫外變化性實驗儀器以及日震與磁成像儀。
大氣層像部件首次提供了多譜段、近同時、覆蓋寬的連續(xù)溫度范圍的高分辨率日冕圖像。
極紫外變化性實驗儀器主要用于測量源于太陽色球?qū)?、過渡區(qū)和日冕的太陽極紫外射線輻照度，幫助科學家進一步認識太陽極紫外射線對地球空間環(huán)境及人類的影響，并掌握太陽極紫外射線輻照度的特性和變化規(guī)律。
日震與磁成像儀用于測量太陽光球?qū)拥倪\動，研究太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和磁活動的各個分量以及太陽震蕩，測量譜線的偏振、光球?qū)哟艌龅娜至?，以及估計日冕磁場?nbsp;這些測量結(jié)果能幫助研究者掌握太陽變化的內(nèi)部源和機制，了解太陽內(nèi)部的物理過程與表面磁場和表面活動相關(guān)的信息，并認識太陽大氣層的變化性。
我國今天發(fā)射成功的“太陽Hα光譜探測與雙超平臺科學技術(shù)試驗衛(wèi)星”，運行在高517公里高的太陽同步軌道上。 其主要科學載荷是帶有Hα濾光片的太陽Hα成像光譜儀。它將在國際上首次實現(xiàn)對太陽Hα波段的光譜成像觀測，填補太陽爆發(fā)源區(qū)高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)的空白。
太陽Hα譜線是太陽爆發(fā)時響應(yīng)最強的色球譜線，能夠直接反映太陽爆發(fā)的源區(qū)特征。通過對這條譜線的數(shù)據(jù)分析，可獲得太陽爆發(fā)時大氣溫度、速度等物理量的變化，有助于研究太陽爆發(fā)的動力學過程及物理機制，彌補當前空間望遠鏡在太陽低層大氣（光球和色球）觀測上的不足，顯著提高我國在太陽物理領(lǐng)域的國際影響力。
該太陽觀測衛(wèi)星可在同一時間得到Hα波段附近任意波長點的全日面圖像，實現(xiàn)全天候、高時空分辨率、高光譜分辨率的太陽觀測，為太陽爆發(fā)的研究提供準確可靠的數(shù)據(jù)。衛(wèi)星在軌運行期間，它將觀測太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射的光球及色球表現(xiàn)，探究太陽爆發(fā)的源區(qū)動態(tài)特性和觸發(fā)機制。同時，它將探測太陽暗條形成和演化過程的色球表現(xiàn)，揭示其與太陽爆發(fā)的內(nèi)在聯(lián)系。此外，它還將獲取全日面Hα波段多普勒速度分布，研究太陽低層大氣動力學過程，為解決“太陽爆發(fā)由里及表能量傳輸全過程物理模型”等科學問題提供重要支撐。
但實現(xiàn)高光譜分辨率成像則要求成像過程中探測載荷具有極高的指向精度和穩(wěn)定度，所以這對該衛(wèi)星平臺的性能提出了極大的挑戰(zhàn)。為此，它采用了超高指向精度、超高穩(wěn)定度平臺（簡稱“雙超”衛(wèi)星平臺）設(shè)計。首次在軌應(yīng)用磁浮技術(shù)，實現(xiàn)了平臺艙、載荷艙可分離式構(gòu)型設(shè)計，從而使載荷艙具有超高精度指向控制和超高穩(wěn)定度，較現(xiàn)有水平提升1～2個數(shù)量級，這對我國衛(wèi)星空間科學探測及衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展具有重要意義。
另外據(jù)悉，我國將在2021年底左右發(fā)射 “先進天基太陽天文臺”。它運行在高720公里的太陽同步軌道上，能二十四小時對太陽進行連續(xù)不斷地觀測，設(shè)計壽命至少4年。因此，“先進天基太陽天文臺”可在太陽第25活動周的峰年期間，對太陽強烈爆發(fā)活動進行多波段、高質(zhì)量的觀測和研究。
“先進天基太陽天文臺”是中國科學院空間科學戰(zhàn)略性先導專項之一，將攜帶三臺重要科學觀測儀器。其中的萊曼阿爾法太陽望遠鏡在一個國際上最新的觀測波段窗口工作，用于觀測日冕物質(zhì)拋射；硬X射線成像儀擁有國際上同類望遠鏡中最多的99個探測器，用于觀測太陽耀斑爆發(fā)的非熱現(xiàn)象；全日面矢量磁像儀的時間分辨率則相對較高，用于觀測太陽磁場。
這顆太陽觀測衛(wèi)星能同時觀測對地球空間環(huán)境具有重要影響的太陽上兩類最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象——耀斑和日冕物質(zhì)拋射；研究耀斑和日冕物質(zhì)拋射的相互關(guān)系和形成規(guī)律；觀測全日面太陽矢量磁場，研究太陽耀斑爆發(fā)和日冕物質(zhì)拋射與太陽磁場之間的因果關(guān)系；觀測太陽大氣不同層次對太陽爆發(fā)的響應(yīng)，研究太陽爆發(fā)能量的傳輸機制及動力學特征；探測太陽爆發(fā)，預(yù)報空間天氣，為我國空間環(huán)境的安全提供保障。
運行在地球軌道的太陽觀測衛(wèi)星已取得了很大成就，但為了獲得更有價值、更高分辨率的太陽科學數(shù)據(jù)，目前研制、發(fā)射對太陽進行近距離探測的太陽探測器正悄然興起。
因為它除了有太陽觀測衛(wèi)星的優(yōu)點外，還具備一些其它“絕活”。 例如，太陽探測器可以對太陽背面進行觀測，獲得太陽背面的活動數(shù)據(jù)，這有助于對太陽電磁風暴進行中短期預(yù)報；也能對太陽極區(qū)進行觀測，從而全面研究太陽風暴對日地空間環(huán)境的影響。
為了解答有關(guān)太陽的最深層謎團——日冕的高溫和太陽風令人不解的加速，美國在2018年8月發(fā)射了“帕克太陽探測器”。其最大亮點是能“觸及太陽”，即在距離太陽表面大約9個太陽半徑的地方——約600萬千米，對太陽進行全方位探測，獲取日冕、太陽風等方面的信息。
它在嚴酷的高溫和輻射條件首次穿過了太陽大氣層日冕，是第一次正式探訪恒星的人造物體，并首次對太陽進行全方位探測，嗅到、嘗到太陽的味道，所獲數(shù)據(jù)有望“完全顛覆”以往對太陽的認知。
“帕克太陽探測器”飛抵太陽附近示意圖
“帕克太陽探測器”的主要任務(wù)是追蹤能量和熱量如何通過太陽日冕，以及探索加速太陽風和太陽能粒子的作用。 其探測數(shù)據(jù)能解答一些長期以來困擾著天文學家的難題，有助于揭示太陽的運行機制，了解太陽與行星、地球的關(guān)系，提高人類預(yù)測太空天氣的能力，改善會影響地球生命的主要天氣事件，以及協(xié)助太陽觀測衛(wèi)星、甚至是在太空工作的航天員對太陽的觀測。
在為期六年的任務(wù)中，“帕克太陽探測器”將多次利用金星的引力助推來逐漸靠近太陽，它從太陽近處飛過的次數(shù)將達到24次。
由于“帕克太陽探測器”要在太陽大氣深處工作，所以會承受前所未有的高溫以及太陽輻射的考驗。 因此，“帕克太陽探測器”裝有一個碳復合材料防熱罩，它可承受1650°C的高溫，幾乎可保障所有儀器的安全，使探測器的內(nèi)部溫度保持在約29°C。
2020 年2月，歐洲抓總的“太陽軌道器”也升空了。 它能近距離觀察太陽的一些前所未見的區(qū)域，比如太陽的兩極計劃，并近距離探測太陽風等離子體、高能粒子等。 此探測器也可承受高溫，在距離太陽60倍太陽半徑距離（大約4000萬千米）處工作，這比水星的軌道稍近（最內(nèi)側(cè)的水星軌道距離太陽約5800萬千米）。
目前，人類對太陽極地的了解還很少，“太陽軌道器”可成為首個能直接為太陽兩極拍照的探測器。它還將利用其獨特的軌道，更好地了解太陽的磁場。
美國“帕克太陽探測器”是在太陽風剛形成并離開日冕時捕捉太陽風，把原始觀測結(jié)果傳回地球；歐洲 “太陽軌道器”所處的位置可讓其很好地觀察太陽的兩極，它提供的信息有助于科學家洞悉太陽風的結(jié)構(gòu)和行為在不同緯度的變化情況。 這兩款探測器協(xié)同作戰(zhàn)，優(yōu)勢互補，有助于科學家進一步揭開太陽風的“廬山真面目”。
可以預(yù)見的是，這些近太陽探測任務(wù)在未來將為揭示太陽奧秘做出卓越貢獻，能使未來空間天氣的預(yù)報、地球災(zāi)害預(yù)警更加精確。對太陽的觀測或探測正在向多波段、多視角、近距離、高時空分辨率的方向發(fā)展，這些已成為推動太陽物理學科發(fā)展的主要動力。
