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2021年10月14日，由國家航天局批復立項的我國第一顆太陽探測科學技術試驗衛(wèi)星“羲和號”在太原衛(wèi)星發(fā)射中心順利升空，拉開了我國太陽空間探測的序幕?！棒撕吞枴钡娜麨樘朒α光譜探測與雙超平臺科學技術試驗衛(wèi)星，簡稱太陽雙超衛(wèi)星。

太陽觀測研究，認識與人類關系最密切的恒星

太陽是我們了解宇宙的一個窗口。這顆銀河系中極其普通的恒星，是人類目前唯一可進行高時空分辨率和高光譜分辨率觀測的恒星。它距地球約1.5億公里，直徑約139萬公里，質量是地球的33萬倍。通過觀測和研究太陽，我們可以了解一些基本的天體物理過程，比如磁場的產生和演化、粒子的加速和傳播、天體爆發(fā)的物理機制等。

太陽也是宇宙中與人類關系最密切、對人類社會生活影響最大的一顆恒星。俗話說，萬物生長靠太陽。太陽在地球演化和人類文明發(fā)展過程中發(fā)揮著不可替代的作用。作為距離我們最近的恒星，太陽在超過45億年的時間里，孕育了地球上的天氣、氣候以及我們所依賴的生態(tài)環(huán)境。它的能量來源于自身時刻發(fā)生的氫、氦核聚變。大眾熟知的光合作用，就離不開太陽的光能。太陽對人類的影響特別表現在時有發(fā)生的耀斑和日冕物質拋射現象上。耀斑是太陽局部突然增亮的爆發(fā)活動。一個中等強度的耀斑，可發(fā)射出從伽馬射線到無線電波段的強大輻射，總能量相當于約10億—100億個原子彈爆炸。日冕物質拋射則是太陽上大規(guī)模物質爆發(fā)的現象，一次爆發(fā)能把約1億—10億噸物質拋射到行星際空間。這兩種現象是空間災害性天氣的源頭，影響空間飛行器安全甚至地球上的人類生活。因此，對太陽的觀測研究同時具有重要科學意義和實際應用價值。

從肉眼到望遠鏡再到空間探測器，太陽觀測手段不斷進步

人類對太陽的觀測由來已久，廣義的觀測最早可以追溯到上古時代。我國早在漢成帝河平元年（公元前28年）就有了肉眼觀測太陽黑子的記錄。對太陽進行系統觀測則始于1610年，即伽利略發(fā)明天文望遠鏡后的第二年，人類開始用望遠鏡觀測和記錄太陽黑子，開啟了太陽科學觀測的時代。經過400多年的發(fā)展，尤其自上世紀50年代末進入太空時代以來，通過地基太陽望遠鏡和天基太陽探測器的聯合觀測，人類對太陽有了全新認識。我們了解到，太陽的內部結構可分為核心區(qū)、輻射層和對流層，太陽的大氣層次可分為光球層、色球層、過渡區(qū)和日冕層。我們也在一定程度上理解了太陽活動的周期性、產生太陽磁場的發(fā)電機理論、太陽磁場和太陽爆發(fā)的內在聯系等。

以“羲和號”為代表的太陽探測衛(wèi)星，是太陽空間探測的“千里眼”。上世紀60年代以來，國際上已陸續(xù)發(fā)射70余顆太陽專用或相關衛(wèi)星。近代太陽物理的許多開拓性成果都來自于這些衛(wèi)星的觀測，例如太陽爆發(fā)和磁重聯過程、日冕結構和加熱問題、太陽風的起源和傳播等。我國太陽空間探測有一定成果，如神舟二號空間天文分系統取得太陽X射線和伽馬射線流量數據，氣象衛(wèi)星風云三號E星取得在極紫外和X射線波段的成像等。但在“羲和號”之前，我們還未通過太陽專用衛(wèi)星獲得過觀測數據。“羲和號”打破了我國無太陽探測專用衛(wèi)星的歷史，邁出了我國太陽空間探測的重要一步。

“羲和號”衛(wèi)星，給太陽做CT掃描

顧名思義，太陽空間探測就是通過衛(wèi)星等航天器在太空中觀測太陽?！棒撕吞枴钡娜疤朒α光譜探測與雙超平臺科學技術試驗衛(wèi)星”也道出它的兩方面任務：科學觀測和技術試驗。

“羲和號”的研究目標是太陽低層大氣，即光球層和色球層的動力學過程，以及太陽爆發(fā)活動的物理機制。太陽的光球層是我們肉眼可見的部分，在光球層上面大約2000公里的范圍內，則是太陽的色球層。“羲和號”通過其主要科學載荷Hα成像光譜儀，專門觀測光球層和色球層，在國際上首次實現了全日面Hα波段的光譜成像。Hα是氫原子的一條人眼可見的、紅色的譜線。對于太陽物理研究而言，Hα譜線十分重要。它的線心反映了色球層的信息，線翼反映了光球層的信息。如果提高儀器光譜分辨率，將這條譜線細分，可以獲得光球層和色球層不同高度處的太陽圖像，相當于給太陽大氣做了一次CT掃描。

Hα波段的光譜成像，是“羲和號”實現研究目標的“金鑰匙”。通過一次掃描（時間小于60秒），可以獲得日面上近1600萬個點的光譜信息，這是前所未有的觀測。另外，“羲和號”是在太空“看”太陽，不受地球大氣擾動、天氣影響，避免了以往地面觀測的局限性。目前，“羲和號”正處于在軌測試階段，從得到的初步觀測數據來看，數據質量達到了預期指標。未來，“羲和號”的觀測數據在經過科學標定后將對全世界科學用戶開放，在國際太陽物理和空間物理研究中貢獻中國力量。

在技術試驗方面，“羲和號”將自身衛(wèi)星平臺的控制精度提高兩個數量級，即“雙超”（超高指向精度、超高穩(wěn)定度平臺）。它實現了平臺艙和載荷艙“動靜隔離非接觸”總體設計，不僅阻斷了平臺艙微振動的傳遞路徑，同時解決了平臺艙熱變形對載荷艙的影響。Hα成像光譜儀不再需要導行系統和穩(wěn)像系統，大大降低了載荷的研制難度和成本。如果說“羲和號”是一位拍攝太陽的攝影師，那么“雙超”將讓他在舉起相機時，瞄得快、對得準、拍得穩(wěn)。未來，這種新型的衛(wèi)星平臺還可以廣泛應用于其他高精度的空間天文探測中。

各顯神通，太陽空間探測進入新階段

當前，太陽空間探測已進入新階段。高時空分辨率、高光譜分辨率、多波段、多視角探測等多種技術、多種方式各顯神通。例如2018年8月發(fā)射的帕克太陽探測器可以到達距太陽約600萬公里處，直接測量日冕等離子體參數，研究太陽風的起源和加速、太陽高能粒子的加速和傳播、日冕加熱等科學問題。2020年2月發(fā)射的太陽軌道探測器，最近可到達距太陽約4200萬公里的地方，可以在一定程度上觀測太陽的極區(qū)，研究諸如極區(qū)磁場和日震學等科學問題。

在國際太陽探測的熱潮中，我國的相關科研工作也將更上一層樓。目前，我國的太陽物理學界與相關工程部門已聯合提出日地L5點太陽探測工程、環(huán)日探測計劃、太陽極軌探測計劃、太陽抵近探測計劃等。這些工程和計劃均屬太陽空間立體探測，即從不同方向觀測太陽。要想解決諸如太陽磁場的產生和演化及其與太陽活動的關系、太陽爆發(fā)的物理機制及其對空間天氣的影響這類重大科學和應用問題，空間立體探測必不可少。

以日地L5點太陽探測工程為例。該工程計劃可以長期穩(wěn)定地觀測太陽及行星際空間環(huán)境。日地L5點與太陽和地球的連線呈等邊三角形，衛(wèi)星可以提前4到5天觀測到即將面向地球的活動區(qū)，也可以監(jiān)測太陽爆發(fā)向地球傳播的整個過程。這將幫助我們探索太陽磁場的起源和演化、揭示太陽活動的三維結構和物理機制、監(jiān)測太陽爆發(fā)的行星際傳播和對地響應。

從夸父逐日到羲和探日，中華民族對太陽的求知探索從未停歇。中國太陽物理科研工作者和航天工作者，將以更加堅定的信念、更為嚴謹的態(tài)度，繼續(xù)揚帆星辰大海。

（作者為中國科學院院士、“羲和號”科學總顧問）

制圖：趙偲汝

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