“實(shí)現(xiàn)了我國空間太陽探測成果零的突破，標(biāo)志著我國正式步入自主‘探日’時(shí)代。”高分專項(xiàng)工程總設(shè)計(jì)師兼副總指揮、國家航天局對地觀測與數(shù)據(jù)中心主任趙堅(jiān)如此形容。
五個(gè)國際首次
“羲和號(hào)”的學(xué)名，叫作太陽Hα（氫阿爾法）光譜探測與雙超平臺(tái)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，于2021年10月14日發(fā)射升空，運(yùn)行于平均高度為517公里的太陽同步軌道，主要科學(xué)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(tuán)、南京大學(xué)等工程任務(wù)團(tuán)隊(duì)，開展衛(wèi)星平臺(tái)超高指向精度、超高穩(wěn)定度技術(shù)試驗(yàn)300余次，太陽光譜成像1000余次，圓滿完成了“羲和號(hào)”在軌測試和試驗(yàn)工作。這些努力，取得了重要成果，其中5項(xiàng)為國際首次。
作為我國首位太陽專屬“攝影師”，“羲和號(hào)”在太陽科學(xué)探測方面成功實(shí)現(xiàn)兩個(gè)“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(xì)結(jié)構(gòu)。
“根據(jù)這些譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)，可反演出高精度的全日面色球和光球多普勒速度場，發(fā)生在太陽大氣中的活動(dòng)可被詳細(xì)記錄到，進(jìn)而研究太陽活動(dòng)的物理過程。”趙堅(jiān)說。
除了太陽科學(xué)探測，“羲和號(hào)”在新型衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)方面取得3個(gè)“國際首次”成果：實(shí)現(xiàn)國際首次主從協(xié)同非接觸“雙超”（超高指向精度、超高穩(wěn)定度）衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)在軌性能驗(yàn)證及工程應(yīng)用；實(shí)現(xiàn)國際首臺(tái)太陽空間Hα成像光譜儀在軌應(yīng)用；實(shí)現(xiàn)國際首臺(tái)原子鑒頻太陽測速導(dǎo)航儀在軌驗(yàn)證。
“羲和號(hào)”衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮陳建新解釋，在太空中，衛(wèi)星載荷一次微小的振動(dòng)，都會(huì)使得成像效果失之毫厘、謬之千里。“雙超”衛(wèi)星平臺(tái)打破傳統(tǒng)衛(wèi)星平臺(tái)微振動(dòng)“難測、難控”的技術(shù)瓶頸，采用磁浮控制技術(shù)，將平臺(tái)與載荷的物理接觸徹底隔絕，確保載荷成像不受平臺(tái)擾動(dòng)的影響，讓其拍照“更穩(wěn)、更準(zhǔn)”，將我國衛(wèi)星平臺(tái)的姿態(tài)控制水平提升了1至2個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到國際先進(jìn)水平。
未來，“雙超”平臺(tái)技術(shù)將在高分辨率遙感、太陽立體探測、系外行星發(fā)現(xiàn)等新一代航天任務(wù)中得到推廣應(yīng)用，推動(dòng)我國空間技術(shù)的跨越式發(fā)展。
給太陽做深度“CT”掃描
在五個(gè)國際首次中，Hα波段光譜掃描成像特別值得關(guān)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(jí)躍遷產(chǎn)生的譜線之一，是太陽爆發(fā)時(shí)響應(yīng)最強(qiáng)的色球譜線，能夠直接反映爆發(fā)的源區(qū)特征。對這條譜線開展探測，可以大大提高我們對太陽爆發(fā)物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)。
太陽大氣從里向外，可分為光球?qū)?、色球?qū)雍腿彰釋?。與以往太陽探測衛(wèi)星主要通過紫外和X射線對太陽高層大氣日冕層進(jìn)行觀測不同，“羲和號(hào)”衛(wèi)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(dòng)的演化過程和物理機(jī)制。
“‘羲和號(hào)’衛(wèi)星在軌開展的相關(guān)試驗(yàn)，是國際上第一次在太空進(jìn)行Hα譜線研究。”趙堅(jiān)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(shù)據(jù)不連續(xù)、不穩(wěn)定。
據(jù)“羲和號(hào)”衛(wèi)星首席科學(xué)家丁明德介紹，“羲和號(hào)”可以在46秒內(nèi)掃描全日面，獲得約1600萬個(gè)點(diǎn)的光譜信息，這是以往太陽觀測從未實(shí)現(xiàn)的。通過一次掃描可獲得376個(gè)波長位置的太陽圖像，不同波長對應(yīng)了光球和色球不同的大氣層次，相當(dāng)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(xì)的色球和光球二維光譜數(shù)據(jù)，可以更加準(zhǔn)確地獲得太陽爆發(fā)時(shí)大氣溫度、速度等物理量的變化，進(jìn)而建立太陽爆發(fā)從光球到日冕的能量積累、釋放、傳輸?shù)耐暾锢砟Ｐ?。這對研究太陽爆發(fā)的動(dòng)力學(xué)過程及物理機(jī)制提供關(guān)鍵依據(jù)，對太陽低層大氣和太陽爆發(fā)的觀測具有重要意義。
目前，“羲和號(hào)”每天都在按照既定任務(wù)計(jì)劃開展科學(xué)觀測，已經(jīng)觀測到了近百個(gè)太陽爆發(fā)活動(dòng)，相關(guān)研究工作正在開展。
全球進(jìn)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(fā)產(chǎn)生大量帶電高能粒子，對地球電磁環(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)拋射對地球電磁環(huán)境影響最為顯著。”趙堅(jiān)解釋，強(qiáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射等太陽活動(dòng)干擾通信和導(dǎo)航、威脅航天員的健康，甚至毀壞航天器，對太陽活動(dòng)的觀測和研究不僅具有重要的科學(xué)意義，更具有巨大的應(yīng)用價(jià)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(xué)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(xué)認(rèn)識(shí)仍然很不夠。自20世紀(jì)60年代以來，隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，全世界已發(fā)射了70多顆太陽觀測衛(wèi)星，聚焦太陽黑子、耀斑和日冕物質(zhì)拋射等的觀測和研究。
“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。探測和研究太陽活動(dòng)，提出應(yīng)對措施，可以降低或規(guī)避對地球的不利影響。”趙堅(jiān)說。
“羲和號(hào)”科學(xué)數(shù)據(jù)向全球開放共享
“羲和號(hào)”的成功發(fā)射和在軌應(yīng)用，讓我們的科學(xué)家可以“站高望遠(yuǎn)”，也更加自主。
趙堅(jiān)告訴記者，國際太陽探測發(fā)展變化很快，我國在太陽觀測領(lǐng)域發(fā)表論文數(shù)量已居世界第二位，但是使用的數(shù)據(jù)均來自國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)。
“‘羲和號(hào)’打破了我們在此領(lǐng)域的被動(dòng)局面。”趙堅(jiān)說。
自主的同時(shí)，我們還要開放——“羲和號(hào)”的科學(xué)數(shù)據(jù)向全球開放共享。
目前，國家航天局牽頭成立了衛(wèi)星數(shù)據(jù)科學(xué)委員會(huì)，制定了數(shù)據(jù)政策，供國內(nèi)外科學(xué)家研究、使用、共享衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)。“力爭產(chǎn)生更多的原創(chuàng)性科學(xué)成果，為人類科學(xué)事業(yè)作出中國貢獻(xiàn)。”趙堅(jiān)說。
