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“探日”零的突破

——我国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”成果正式发布

冯杰

2022年08月31日 02:32

本报记者 陈海波 袁于飞
光明日报( 2022年08月31日 08版)

8月30日,我国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”成果正式发布。这些探日成果,以太阳科学探测和新型卫星技术为主,创下5个国际首次。

“实现了我国空间太阳探测成果零的突破,标志着我国正式步入自主‘探日’时代。”高分专项工程总设计师兼副总指挥、国家航天局对地观测与数据中心主任赵坚如此形容。

五个国际首次

“羲和号”的学名,叫作太阳Hα(氢阿尔法)光谱探测与双超平台科学技术试验卫星,于2021年10月14日发射升空,运行于平均高度为517公里的太阳同步轨道,主要科学载荷为太阳Hα成像光谱仪。

近一年来,国家航天局组织航天科技集团、南京大学等工程任务团队,开展卫星平台超高指向精度、超高稳定度技术试验300余次,太阳光谱成像1000余次,圆满完成了“羲和号”在轨测试和试验工作。这些努力,取得了重要成果,其中5项为国际首次。

作为我国首位太阳专属“摄影师”,“羲和号”在太阳科学探测方面成功实现两个“国际首次”:国际首次空间太阳Hα波段光谱扫描成像,国际首次在轨获取太阳Hα谱线、SiΙ(硅一)谱线和FeΙ(铁一)谱线的精细结构。

“根据这些谱线的精细结构,可反演出高精度的全日面色球和光球多普勒速度场,发生在太阳大气中的活动可被详细记录到,进而研究太阳活动的物理过程。”赵坚说。

除了太阳科学探测,“羲和号”在新型卫星技术试验方面取得3个“国际首次”成果:实现国际首次主从协同非接触“双超”(超高指向精度、超高稳定度)卫星平台技术在轨性能验证及工程应用;实现国际首台太阳空间Hα成像光谱仪在轨应用;实现国际首台原子鉴频太阳测速导航仪在轨验证。

“羲和号”卫星系统总指挥陈建新解释,在太空中,卫星载荷一次微小的振动,都会使得成像效果失之毫厘、谬之千里。“双超”卫星平台打破传统卫星平台微振动“难测、难控”的技术瓶颈,采用磁浮控制技术,将平台与载荷的物理接触彻底隔绝,确保载荷成像不受平台扰动的影响,让其拍照“更稳、更准”,将我国卫星平台的姿态控制水平提升了1至2个数量级,达到国际先进水平。

未来,“双超”平台技术将在高分辨率遥感、太阳立体探测、系外行星发现等新一代航天任务中得到推广应用,推动我国空间技术的跨越式发展。

给太阳做深度“CT”扫描

在五个国际首次中,Hα波段光谱扫描成像特别值得关注。

对太阳物理研究而言,太阳Hα谱线十分重要。它是光子与氢原子相互作用后电子能级跃迁产生的谱线之一,是太阳爆发时响应最强的色球谱线,能够直接反映爆发的源区特征。对这条谱线开展探测,可以大大提高我们对太阳爆发物理机制的认识。

太阳大气从里向外,可分为光球层、色球层和日冕层。与以往太阳探测卫星主要通过紫外和X射线对太阳高层大气日冕层进行观测不同,“羲和号”卫星配备的太阳空间Hα成像光谱仪,专门观测太阳低层大气光球和色球,从而全面了解太阳活动的演化过程和物理机制。

“‘羲和号’卫星在轨开展的相关试验,是国际上第一次在太空进行Hα谱线研究。”赵坚说,此前,人类只能在地球上探测太阳Hα谱线,但由于受大气干扰,探测数据不连续、不稳定。

据“羲和号”卫星首席科学家丁明德介绍,“羲和号”可以在46秒内扫描全日面,获得约1600万个点的光谱信息,这是以往太阳观测从未实现的。通过一次扫描可获得376个波长位置的太阳图像,不同波长对应了光球和色球不同的大气层次,相当于给太阳低层大气做了一次深度“CT”扫描。

通过深度“CT”扫描,获得精细的色球和光球二维光谱数据,可以更加准确地获得太阳爆发时大气温度、速度等物理量的变化,进而建立太阳爆发从光球到日冕的能量积累、释放、传输的完整物理模型。这对研究太阳爆发的动力学过程及物理机制提供关键依据,对太阳低层大气和太阳爆发的观测具有重要意义。

目前,“羲和号”每天都在按照既定任务计划开展科学观测,已经观测到了近百个太阳爆发活动,相关研究工作正在开展。

全球进入太阳研究新的高峰期

为什么要探日?

作为太阳系的中心天体,太阳对地球的影响无所不在。

“太阳爆发产生大量带电高能粒子,对地球电磁环境造成严重破坏,其中尤以太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射对地球电磁环境影响最为显著。”赵坚解释,强耀斑和日冕物质抛射等太阳活动干扰通信和导航、威胁航天员的健康,甚至毁坏航天器,对太阳活动的观测和研究不仅具有重要的科学意义,更具有巨大的应用价值。此外,通过对太阳的探测,人类可以深入了解天体磁场的起源和演化、高能粒子的加速和传播等重要物理过程,对天体物理学研究具有重要意义。

人类对太阳的观测和研究已有400多年历史,但对太阳的科学认识仍然很不够。自20世纪60年代以来,随着航天技术的快速发展,全世界已发射了70多颗太阳观测卫星,聚焦太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射等的观测和研究。

“太阳活动周期约11年,2021年至2022年是人类有记录以来第25个太阳活动周期的开始,全世界又进入太阳研究新的高峰期。探测和研究太阳活动,提出应对措施,可以降低或规避对地球的不利影响。”赵坚说。

“羲和号”科学数据向全球开放共享

“羲和号”的成功发射和在轨应用,让我们的科学家可以“站高望远”,也更加自主。

赵坚告诉记者,国际太阳探测发展变化很快,我国在太阳观测领域发表论文数量已居世界第二位,但是使用的数据均来自国外卫星数据。

“‘羲和号’打破了我们在此领域的被动局面。”赵坚说。

自主的同时,我们还要开放——“羲和号”的科学数据向全球开放共享。

目前,国家航天局牵头成立了卫星数据科学委员会,制定了数据政策,供国内外科学家研究、使用、共享卫星探测数据。“力争产生更多的原创性科学成果,为人类科学事业作出中国贡献。”赵坚说。


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2022年08月31日 10:32
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