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2021年10月14日，由國(guó)家航天局批復(fù)立項(xiàng)的我國(guó)第一顆太陽探測(cè)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號(hào)”在太原衛(wèi)星發(fā)射中心順利升空，拉開了我國(guó)太陽空間探測(cè)的序幕?！棒撕吞?hào)”的全名為太陽Hα光譜探測(cè)與雙超平臺(tái)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，簡(jiǎn)稱太陽雙超衛(wèi)星。

太陽觀測(cè)研究，認(rèn)識(shí)與人類關(guān)系最密切的恒星

太陽是我們了解宇宙的一個(gè)窗口。這顆銀河系中極其普通的恒星，是人類目前唯一可進(jìn)行高時(shí)空分辨率和高光譜分辨率觀測(cè)的恒星。它距地球約1.5億公里，直徑約139萬公里，質(zhì)量是地球的33萬倍。通過觀測(cè)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(chǎng)的產(chǎn)生和演化、粒子的加速和傳播、天體爆發(fā)的物理機(jī)制等。

太陽也是宇宙中與人類關(guān)系最密切、對(duì)人類社會(huì)生活影響最大的一顆恒星。俗話說，萬物生長(zhǎng)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(shí)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(shí)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(duì)人類的影響特別表現(xiàn)在時(shí)有發(fā)生的耀斑和日冕物質(zhì)拋射現(xiàn)象上。耀斑是太陽局部突然增亮的爆發(fā)活動(dòng)。一個(gè)中等強(qiáng)度的耀斑，可發(fā)射出從伽馬射線到無線電波段的強(qiáng)大輻射，總能量相當(dāng)于約10億—100億個(gè)原子彈爆炸。日冕物質(zhì)拋射則是太陽上大規(guī)模物質(zhì)爆發(fā)的現(xiàn)象，一次爆發(fā)能把約1億—10億噸物質(zhì)拋射到行星際空間。這兩種現(xiàn)象是空間災(zāi)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(duì)太陽的觀測(cè)研究同時(shí)具有重要科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

從肉眼到望遠(yuǎn)鏡再到空間探測(cè)器，太陽觀測(cè)手段不斷進(jìn)步

人類對(duì)太陽的觀測(cè)由來已久，廣義的觀測(cè)最早可以追溯到上古時(shí)代。我國(guó)早在漢成帝河平元年（公元前28年）就有了肉眼觀測(cè)太陽黑子的記錄。對(duì)太陽進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)則始于1610年，即伽利略發(fā)明天文望遠(yuǎn)鏡后的第二年，人類開始用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)和記錄太陽黑子，開啟了太陽科學(xué)觀測(cè)的時(shí)代。經(jīng)過400多年的發(fā)展，尤其自上世紀(jì)50年代末進(jìn)入太空時(shí)代以來，通過地基太陽望遠(yuǎn)鏡和天基太陽探測(cè)器的聯(lián)合觀測(cè)，人類對(duì)太陽有了全新認(rèn)識(shí)。我們了解到，太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為核心區(qū)、輻射層和對(duì)流層，太陽的大氣層次可分為光球?qū)印⑸驅(qū)?、過渡區(qū)和日冕層。我們也在一定程度上理解了太陽活動(dòng)的周期性、產(chǎn)生太陽磁場(chǎng)的發(fā)電機(jī)理論、太陽磁場(chǎng)和太陽爆發(fā)的內(nèi)在聯(lián)系等。

以“羲和號(hào)”為代表的太陽探測(cè)衛(wèi)星，是太陽空間探測(cè)的“千里眼”。上世紀(jì)60年代以來，國(guó)際上已陸續(xù)發(fā)射70余顆太陽專用或相關(guān)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(cè)，例如太陽爆發(fā)和磁重聯(lián)過程、日冕結(jié)構(gòu)和加熱問題、太陽風(fēng)的起源和傳播等。我國(guó)太陽空間探測(cè)有一定成果，如神舟二號(hào)空間天文分系統(tǒng)取得太陽X射線和伽馬射線流量數(shù)據(jù)，氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)E星取得在極紫外和X射線波段的成像等。但在“羲和號(hào)”之前，我們還未通過太陽專用衛(wèi)星獲得過觀測(cè)數(shù)據(jù)。“羲和號(hào)”打破了我國(guó)無太陽探測(cè)專用衛(wèi)星的歷史，邁出了我國(guó)太陽空間探測(cè)的重要一步。

“羲和號(hào)”衛(wèi)星，給太陽做CT掃描

顧名思義，太陽空間探測(cè)就是通過衛(wèi)星等航天器在太空中觀測(cè)太陽?！棒撕吞?hào)”的全名“太陽Hα光譜探測(cè)與雙超平臺(tái)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星”也道出它的兩方面任務(wù)：科學(xué)觀測(cè)和技術(shù)試驗(yàn)。

“羲和號(hào)”的研究目標(biāo)是太陽低層大氣，即光球?qū)雍蜕驅(qū)拥膭?dòng)力學(xué)過程，以及太陽爆發(fā)活動(dòng)的物理機(jī)制。太陽的光球?qū)邮俏覀內(nèi)庋劭梢姷牟糠郑诠馇驅(qū)由厦娲蠹s2000公里的范圍內(nèi)，則是太陽的色球?qū)??！棒撕吞?hào)”通過其主要科學(xué)載荷Hα成像光譜儀，專門觀測(cè)光球?qū)雍蜕驅(qū)?，在?guó)際上首次實(shí)現(xiàn)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(duì)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?qū)拥男畔ⅲ€翼反映了光球?qū)拥男畔?。如果提高儀器光譜分辨率，將這條譜線細(xì)分，可以獲得光球?qū)雍蜕驅(qū)硬煌叨忍幍奶枅D像，相當(dāng)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(hào)”實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)的“金鑰匙”。通過一次掃描（時(shí)間小于60秒），可以獲得日面上近1600萬個(gè)點(diǎn)的光譜信息，這是前所未有的觀測(cè)。另外，“羲和號(hào)”是在太空“看”太陽，不受地球大氣擾動(dòng)、天氣影響，避免了以往地面觀測(cè)的局限性。目前，“羲和號(hào)”正處于在軌測(cè)試階段，從得到的初步觀測(cè)數(shù)據(jù)來看，數(shù)據(jù)質(zhì)量達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)。未來，“羲和號(hào)”的觀測(cè)數(shù)據(jù)在經(jīng)過科學(xué)標(biāo)定后將對(duì)全世界科學(xué)用戶開放，在國(guó)際太陽物理和空間物理研究中貢獻(xiàn)中國(guó)力量。

在技術(shù)試驗(yàn)方面，“羲和號(hào)”將自身衛(wèi)星平臺(tái)的控制精度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，即“雙超”（超高指向精度、超高穩(wěn)定度平臺(tái)）。它實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)艙和載荷艙“動(dòng)靜隔離非接觸”總體設(shè)計(jì)，不僅阻斷了平臺(tái)艙微振動(dòng)的傳遞路徑，同時(shí)解決了平臺(tái)艙熱變形對(duì)載荷艙的影響。Hα成像光譜儀不再需要導(dǎo)行系統(tǒng)和穩(wěn)像系統(tǒng)，大大降低了載荷的研制難度和成本。如果說“羲和號(hào)”是一位拍攝太陽的攝影師，那么“雙超”將讓他在舉起相機(jī)時(shí)，瞄得快、對(duì)得準(zhǔn)、拍得穩(wěn)。未來，這種新型的衛(wèi)星平臺(tái)還可以廣泛應(yīng)用于其他高精度的空間天文探測(cè)中。

各顯神通，太陽空間探測(cè)進(jìn)入新階段

當(dāng)前，太陽空間探測(cè)已進(jìn)入新階段。高時(shí)空分辨率、高光譜分辨率、多波段、多視角探測(cè)等多種技術(shù)、多種方式各顯神通。例如2018年8月發(fā)射的帕克太陽探測(cè)器可以到達(dá)距太陽約600萬公里處，直接測(cè)量日冕等離子體參數(shù)，研究太陽風(fēng)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(xué)問題。2020年2月發(fā)射的太陽軌道探測(cè)器，最近可到達(dá)距太陽約4200萬公里的地方，可以在一定程度上觀測(cè)太陽的極區(qū)，研究諸如極區(qū)磁場(chǎng)和日震學(xué)等科學(xué)問題。

在國(guó)際太陽探測(cè)的熱潮中，我國(guó)的相關(guān)科研工作也將更上一層樓。目前，我國(guó)的太陽物理學(xué)界與相關(guān)工程部門已聯(lián)合提出日地L5點(diǎn)太陽探測(cè)工程、環(huán)日探測(cè)計(jì)劃、太陽極軌探測(cè)計(jì)劃、太陽抵近探測(cè)計(jì)劃等。這些工程和計(jì)劃均屬太陽空間立體探測(cè)，即從不同方向觀測(cè)太陽。要想解決諸如太陽磁場(chǎng)的產(chǎn)生和演化及其與太陽活動(dòng)的關(guān)系、太陽爆發(fā)的物理機(jī)制及其對(duì)空間天氣的影響這類重大科學(xué)和應(yīng)用問題，空間立體探測(cè)必不可少。

以日地L5點(diǎn)太陽探測(cè)工程為例。該工程計(jì)劃可以長(zhǎng)期穩(wěn)定地觀測(cè)太陽及行星際空間環(huán)境。日地L5點(diǎn)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(cè)到即將面向地球的活動(dòng)區(qū)，也可以監(jiān)測(cè)太陽爆發(fā)向地球傳播的整個(gè)過程。這將幫助我們探索太陽磁場(chǎng)的起源和演化、揭示太陽活動(dòng)的三維結(jié)構(gòu)和物理機(jī)制、監(jiān)測(cè)太陽爆發(fā)的行星際傳播和對(duì)地響應(yīng)。

從夸父逐日到羲和探日，中華民族對(duì)太陽的求知探索從未停歇。中國(guó)太陽物理科研工作者和航天工作者，將以更加堅(jiān)定的信念、更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，繼續(xù)揚(yáng)帆星辰大海。

（作者為中國(guó)科學(xué)院院士、“羲和號(hào)”科學(xué)總顧問）

制圖：趙偲汝

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