探日“先鋒官”“羲和”帶領(lǐng)中國(guó)步入自主探日時(shí)代

特約記者 黃 帆 周鑫月 劉 彥 /文

草木發(fā)芽，萬(wàn)物生長(zhǎng)，人類的生產(chǎn)生活離不開太陽(yáng)。太陽(yáng)是太陽(yáng)系中最大的天體，距離地球約1.5 億公里（一個(gè)天文單位），是離地球最近、與人類關(guān)系最密切的恒星。

大約在46 億年前，太陽(yáng)在距離銀河系中心約2.6 萬(wàn)光年處，由星云在自身引力作用下坍塌凝聚而形成，太陽(yáng)壽命大致為100 億年，目前正處于壯年期，它的直徑達(dá)139 萬(wàn)公里，是地球的107 倍，質(zhì)量達(dá)2000 億億億噸，是地球的33 萬(wàn)倍，占整個(gè)太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.87%。

從“夸父追日”到“兩小兒辯日”再到“羲和”探日，中華民族對(duì)太陽(yáng)的好奇與探索從未停息。2021 年10 月14 日我國(guó)首顆太陽(yáng)探測(cè)科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號(hào)”成功發(fā)射，我國(guó)正式步入“探日”時(shí)代。

一年以來(lái)，國(guó)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(yáng)光譜成像1000 余次，圓滿完成了“羲和號(hào)”在軌測(cè)試和試驗(yàn)工作，取得了重要成果，其中包含5 項(xiàng)國(guó)際首次成果：

·首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)Hα 波段的光譜掃描成像，記錄了太陽(yáng)活動(dòng)在光球?qū)雍蜕驅(qū)拥捻憫?yīng)過程；

·首次在軌獲取了太陽(yáng)Hα 譜線、Si Ⅰ和Fe Ⅰ譜線，得到了完整的譜線輪廓；

·首次采用基于“動(dòng)靜隔離、主從協(xié)同”模式的非接觸式磁浮衛(wèi)星平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了超高指向精度、穩(wěn)定精度衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)在軌性能驗(yàn)證及工程應(yīng)用；

·首次實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)空間Hα 譜線成像儀在軌應(yīng)用，光譜分辨率優(yōu)于0.0024nm；

·首次實(shí)現(xiàn)了在軌高精度原子鑒頻太陽(yáng)測(cè)速導(dǎo)航儀在軌驗(yàn)證,測(cè)速精度優(yōu)于2m/s。

“羲和號(hào)”全日面Ha 波段光譜掃描成像

全日面色球多普勒速度場(chǎng)

國(guó)家航天局副局長(zhǎng)吳艷華表示，“羲和號(hào)”作為中國(guó)航天“十三五”重點(diǎn)規(guī)劃的首顆太陽(yáng)探測(cè)科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了國(guó)際首次太陽(yáng)Ha 波段光譜成像的空間探測(cè)，極大提高了我國(guó)在太陽(yáng)物理領(lǐng)域研究能力，對(duì)我國(guó)空間科學(xué)探測(cè)及衛(wèi)星發(fā)展具有重要意義。

高分辨率成像 給太陽(yáng)做個(gè)“CT”

太陽(yáng)Hα 譜線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(yáng)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。此前，只能在地球上進(jìn)行探測(cè)，因受大氣干擾，探測(cè)數(shù)據(jù)不連續(xù)不穩(wěn)定。

“羲和”號(hào)衛(wèi)星搭載的主要科學(xué)載荷——Hα 成像光譜儀對(duì)其進(jìn)行高分辨率成像（分辨率達(dá)0.0024納米），每張光譜掃描圖像實(shí)際上都包含了300 多張照片，分別對(duì)應(yīng)了光球?qū)雍蜕驅(qū)硬煌叨忍幍奶?yáng)圖像，相當(dāng)于給太陽(yáng)低層大氣做了一次“CT”掃描。在每一張“CT”圖上，又反映了日面上近1600 萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的信息。

除太陽(yáng)Hα 譜線外，“羲和號(hào)”還同時(shí)獲得了Si I 譜線和Fe I 譜線。尤其是Si I 譜線，以往在地面觀測(cè)時(shí)被地球大氣的水分子譜線掩蓋，“羲和號(hào)”在國(guó)際上首次在空間直接觀測(cè)到了Si I 完整的譜線輪廓。

高分專項(xiàng)總設(shè)計(jì)師兼副總指揮、國(guó)家航天局對(duì)地觀測(cè)與數(shù)據(jù)中心主任趙堅(jiān)介紹，“羲和”號(hào)衛(wèi)星在軌開展的相關(guān)試驗(yàn)，是國(guó)際上第一次在太空進(jìn)行Hα 譜線研究，目前已經(jīng)獲得了2 項(xiàng)太陽(yáng)探測(cè)國(guó)際科學(xué)成果，顯著提高了我國(guó)在太陽(yáng)物理領(lǐng)域的國(guó)際影響力。

“雙超”衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì) 拍照拒絕“手抖”

“羲和號(hào)”采用了超高指向精度、超高穩(wěn)定度的“雙超”衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)。在軌應(yīng)用磁浮技術(shù)，采用“動(dòng)靜隔離非接觸”總體設(shè)計(jì)新方法，將平臺(tái)艙與載荷艙物理隔離，阻斷平臺(tái)艙微振動(dòng)對(duì)載荷工作的影響，衛(wèi)星平臺(tái)的指向精度、姿態(tài)穩(wěn)定度均提高了1-2 個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

原子鑒頻 給衛(wèi)星裝上導(dǎo)航儀

衛(wèi)星在太空中飛行，如何準(zhǔn)確獲取自身的位置和速度是首先要解決的問題。

行駛在地球上的汽車，可以通過導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握自己的位置。但衛(wèi)星飄在天上，定位難度要比給車定位難的多，怎么個(gè)難法呢？

“羲和號(hào)”發(fā)射前 攝影/雷春鳴

與近地空間任務(wù)相比，月球以遠(yuǎn)的深空探測(cè)任務(wù)由于沒有導(dǎo)航衛(wèi)星的輔助，只能依靠傳統(tǒng)的無(wú)線電測(cè)距、測(cè)速導(dǎo)航方法。然而無(wú)線電導(dǎo)航會(huì)隨著衛(wèi)星飛行距離的增加而大幅下降，難以及時(shí)準(zhǔn)確地確定衛(wèi)星在太空中的位置和速度。

太陽(yáng)光到達(dá)在太空中運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星時(shí)，會(huì)產(chǎn)生頻率變化，也就是通常說的多普勒頻移。當(dāng)波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，在其運(yùn)動(dòng)方向接收到的波長(zhǎng)會(huì)變短（頻率會(huì)升高），在背向其運(yùn)動(dòng)方向上，接收到的波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)（頻率會(huì)降低）。簡(jiǎn)單來(lái)說就是“運(yùn)動(dòng)的物體把它前方的波形擠壓的更致密，后方拉伸的更稀疏”。頻移的大小與衛(wèi)星相對(duì)太陽(yáng)的視向速度成正比。因此，如果能測(cè)出太陽(yáng)光的頻率變化，也就能知道衛(wèi)星相對(duì)太陽(yáng)的視向速度。

“羲和號(hào)”搭載的原子鑒頻太陽(yáng)測(cè)速導(dǎo)航儀，是國(guó)際首次在軌采用原子鑒頻原理。經(jīng)過在軌實(shí)測(cè)，導(dǎo)航儀的速度測(cè)量精度優(yōu)于2米/秒。

該導(dǎo)航儀利用鈉原子自身的超精細(xì)光譜作為頻率標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地確定太陽(yáng)光的頻率變化，進(jìn)而獲取衛(wèi)星相對(duì)太陽(yáng)的視向速度。為未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)中的自主導(dǎo)航提供了一種新型的速度測(cè)量技術(shù)手段，夯實(shí)我國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域的原創(chuàng)性技術(shù)積累，促進(jìn)原子鑒頻及相關(guān)技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

空間太陽(yáng)探測(cè)意義何在

太陽(yáng)對(duì)地球的影響無(wú)所不在，主要體現(xiàn)在太陽(yáng)爆發(fā)產(chǎn)生大量帶電高能粒子，對(duì)地球電磁環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，其中尤以太陽(yáng)黑子、耀斑和日冕物質(zhì)拋射對(duì)地球電磁環(huán)境影響最為顯著。

強(qiáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射等太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的觀測(cè)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。

另外，通過對(duì)太陽(yáng)的探測(cè)，人類可以深入了解天體磁場(chǎng)的起源和演化、高能粒子的加速和傳播等重要物理過程，對(duì)天體物理學(xué)研究具有重要意義。

“羲和”還有“小伙伴”

太陽(yáng)活動(dòng)周期約11 年，2021年至2022 年是人類有紀(jì)錄以來(lái)第25 個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期的開始，全世界又進(jìn)入太陽(yáng)研究新的高峰期。

我國(guó)目前已經(jīng)制定了 “羲和”、“先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)”兩個(gè)太陽(yáng)探測(cè)計(jì)劃。這是太陽(yáng)探測(cè)的中國(guó)方案和中國(guó)貢獻(xiàn)。

“羲和號(hào)”科學(xué)目標(biāo)是在國(guó)際上首次開展空間太陽(yáng)Hα 光譜成像探測(cè)，為建立太陽(yáng)暴發(fā)能量傳輸模型提供有力支撐。“羲和號(hào)”去年10 月成功發(fā)射后，任務(wù)團(tuán)隊(duì)開展了各種在軌試驗(yàn)，已在軌穩(wěn)定運(yùn)行近一年。

“先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)”是中科院先導(dǎo)專項(xiàng)規(guī)劃的一顆太陽(yáng)綜合觀測(cè)衛(wèi)星，以“一磁兩暴”為科學(xué)目標(biāo)，對(duì)太陽(yáng)耀斑、日冕物質(zhì)拋射和全日面矢量磁場(chǎng)開展觀測(cè)，研究“一磁兩暴”的起源、相互作用及彼此關(guān)聯(lián)，為嚴(yán)重影響人類正常生活的空間災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)提供支持，計(jì)劃今年10 月發(fā)射。