中國科學(xué)院近日宣布，我國第一顆綜合性太陽觀測衛(wèi)星——“先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)”將于2022年10月升空。作為中國科學(xué)衛(wèi)星系列“大家族”中的新成員，這顆空間科學(xué)衛(wèi)星由中科院空間科學(xué)(二期)先導(dǎo)專項(xiàng)部署和研制，日前已啟動(dòng)征名活動(dòng)，于7月11日至24日面向廣大網(wǎng)友征集中文昵稱。

2021年10月，我國曾成功發(fā)射首顆太陽觀測衛(wèi)星——“太陽Hα光譜探測與雙超平臺(tái)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星”，昵稱“羲和號(hào)”，它標(biāo)志我國正式進(jìn)入“探日時(shí)代”。今年我國即將發(fā)射的“先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)”，將讓人類更加清楚地認(rèn)識(shí)和熟悉這顆與我們關(guān)系最密切的恒星。

1 與我們關(guān)系最密切的恒星

太陽是地球的生命之源，為地球上的生命提供光和熱，使萬物蔥蘢。但這個(gè)脾氣有些暴躁的火球活動(dòng)活躍時(shí)，也會(huì)對地球影響很大，給地球上的人類造成麻煩。

太陽無時(shí)無刻不在向周圍的宇宙空間中輻射電磁波以及帶電粒子流等，這被稱為太陽風(fēng)。變化的太陽磁場不僅可以在光球?qū)赢a(chǎn)生黑子，還能觸發(fā)耀斑和日冕物質(zhì)拋射。其中，太陽黑子磁場強(qiáng)、溫度低，數(shù)量和位置呈現(xiàn)出周期性變化，即太陽11年活動(dòng)周期;太陽耀斑是一種強(qiáng)烈的輻射爆發(fā)，非常明亮，可以持續(xù)幾分鐘到幾小時(shí)，它是太陽系中最激烈的爆炸事件，所輻射出的光的波長橫跨整個(gè)電磁波譜(從射電波到伽馬射線);日冕物質(zhì)拋射則是指太陽的外層大氣日冕會(huì)突然猛烈地釋放出等離子體和磁場。

太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射產(chǎn)生的磁云，會(huì)裹挾著大量帶電高能粒子直奔地球而來，導(dǎo)致地球磁層和電離層擾動(dòng)，造成航天器軌道衰變，衛(wèi)星載荷發(fā)生故障甚至毀壞，威脅載人任務(wù)的航天員健康，干擾通信和導(dǎo)航系統(tǒng)，引起電網(wǎng)超載等。例如，1989年發(fā)生的一次太陽風(fēng)暴就使加拿大魁北克地區(qū)發(fā)生大規(guī)模停電;2003年再次發(fā)生類似情況，使瑞典電網(wǎng)電力中斷，并導(dǎo)致多顆在軌衛(wèi)星發(fā)生故障。此外，一個(gè)巨大的日冕物質(zhì)拋射可包含數(shù)十億噸的物質(zhì)，這些物質(zhì)會(huì)被加速到極高的速度沖向太空，在其旅途中可與任何行星或航天器發(fā)生撞擊。

其實(shí)，科學(xué)家們很早就開始觀測太陽，因?yàn)樗桥c我們關(guān)系最密切的一顆恒星，也是唯一一顆可以詳細(xì)研究的恒星。觀測或探測太陽有兩大基本意義：一是作為宇宙中目前唯一可以進(jìn)行高空間分辨表面觀測的恒星，具有天體物理學(xué)上的重要性，而其它恒星因?yàn)榫嚯x我們太遠(yuǎn)，無法進(jìn)行高分辨率觀測;二是由于人類依存于太陽，因此需要認(rèn)識(shí)太陽的變化及對人類的影響。

太陽會(huì)釋放出不同波長的光，但地球的大氣并非對所有的波段都是透明的，在地面上只能觀測到可見光和紅外光，以及有限的紫外光和射電輻射，它們在寬廣的太陽輻射波譜中只占很小的一部分。此外，在地面上的可見光波段觀測太陽會(huì)受到陰雨天氣影響，無法做到連續(xù)觀測，而且還會(huì)受到地球大氣吸收、擾動(dòng)等因素的影響，使得觀測分辨率很低。所以，只有將太陽望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到太空中去，避開地球大氣的影響，從各個(gè)波段研究太陽，才能夠描繪出一幅完整的圖像。

通過太陽觀測衛(wèi)星持續(xù)監(jiān)測太陽的活動(dòng)，一旦發(fā)生太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射等爆發(fā)活動(dòng)，科學(xué)家可以至少提前40個(gè)小時(shí)得到信息，從而及時(shí)做出相關(guān)的防護(hù)舉措，避免太陽活動(dòng)對人類生存環(huán)境造成破壞。

2 努力實(shí)現(xiàn)“空間天氣預(yù)報(bào)”

從20世紀(jì)60年代起至今，全球已有幾十顆太陽觀測衛(wèi)星升空，以便摸清太陽的脾氣，了解太陽磁場中蘊(yùn)藏的能量以及該能量對地球的影響，實(shí)現(xiàn)空間天氣預(yù)報(bào)。這不僅對認(rèn)識(shí)宇宙有重大意義，而且可為有效防護(hù)太陽的危害提供可靠的依據(jù)。

1962年3月，美國發(fā)射了世界第一顆太陽觀測衛(wèi)星“軌道太陽觀測臺(tái)-1”。1962年至1975年，美國共發(fā)射了8顆“軌道太陽觀測臺(tái)”，主要測量太陽X射線、γ射線、預(yù)報(bào)太陽耀斑，為載人航天任務(wù)提供空間天氣基本數(shù)據(jù)。1963年至1976年，美國發(fā)射了11顆“太陽輻射衛(wèi)星”，在11年的太陽活動(dòng)周期內(nèi)監(jiān)測和預(yù)報(bào)太陽耀斑事件。此后，美國又發(fā)射了“太陽峰年衛(wèi)星”“太陽-磁層探測者”等一系列太陽觀測衛(wèi)星。同時(shí)，其他國家也發(fā)射了一些太陽觀測衛(wèi)星。

另外，20世紀(jì)60年代至90年代，美國與歐洲聯(lián)合開發(fā)的“太陽神”“尤利塞斯”等航天器，進(jìn)入到日心軌道對太陽進(jìn)行了觀測。第一個(gè)進(jìn)入拉格朗日L1點(diǎn)(在此處航天器可以獲得不間斷的太陽觀測視野，是太陽觀測衛(wèi)星的理想軌道位置)觀測太陽的航天器是美國1978年發(fā)射的國際日地探測者-3。接著，美國的“風(fēng)”和歐洲的“太陽和日球?qū)佑^測臺(tái)”也進(jìn)入到拉格朗日L1點(diǎn)觀測太陽。此后，太陽觀測衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)入低潮，“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”等非太陽觀測衛(wèi)星受寵。

近年來科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，太陽對地球氣候和空間天氣影響越來越巨大，因此一些國家又重新開啟了太陽觀測衛(wèi)星的研制和發(fā)射。

2006年9月23日發(fā)射的太陽-B(又稱“日出”)衛(wèi)星，其上裝有日本與美國和英國聯(lián)合研制的太陽光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、太陽X射線望遠(yuǎn)鏡和遠(yuǎn)紫外成像光譜儀共3臺(tái)科學(xué)觀測儀器。依靠這“3只眼”，太陽-B重點(diǎn)研究了太陽磁場和日冕之間的相互作用，從而加深了對太陽大氣動(dòng)力機(jī)制等方面的了解，獲取了更多有關(guān)太陽如何向外拋射高能粒子等信息。

2006年10月25日，美國發(fā)射的一對孿生太陽觀測衛(wèi)星——“日地關(guān)系觀測臺(tái)”升空。每個(gè)“日地關(guān)系觀測臺(tái)”裝有16臺(tái)共4組探測儀器，即“日地關(guān)系日冕與日光層探測儀”“粒子與日冕物質(zhì)拋射原位測量儀”“等離子體與超灼熱粒子成分分析儀”和“行星際射電暴追蹤儀”。這兩顆衛(wèi)星主要利用在太空中相互錯(cuò)開的優(yōu)越定位“注視”太陽，首次為人類展示了太陽黑子爆發(fā)時(shí)的全景三維圖像，并前所未有地展現(xiàn)了日地之間能量流動(dòng)的獨(dú)特景象，幫助科學(xué)家研究了太陽周邊環(huán)境、太陽活動(dòng)對整個(gè)太陽系造成的影響，以及日冕的產(chǎn)生、活動(dòng)及其噴發(fā)帶來的后果，更精準(zhǔn)地觀測了太陽爆發(fā)。“日地關(guān)系觀測臺(tái)”第一次從地球軌道傳回太陽爆發(fā)三維圖像，有助于天文學(xué)家準(zhǔn)確預(yù)測太陽風(fēng)暴對航天員和通信衛(wèi)星所造成的影響，極大地增進(jìn)了對太陽爆發(fā)的了解。

2010年2月9日，美國“太陽動(dòng)力學(xué)觀測臺(tái)”升空，運(yùn)行在地球同步軌道，以確保幾乎不間斷地觀察太陽磁場、噴發(fā)的等離子體和眾多其他現(xiàn)象，每天能收集到的有關(guān)這些現(xiàn)象遠(yuǎn)比現(xiàn)有衛(wèi)星收集的信息要多，從而能更準(zhǔn)確、及時(shí)地預(yù)測空間天氣。

3 中國新星致力揭秘“一磁兩暴”

2021年10月14日，我國成功發(fā)射了首顆太陽觀測衛(wèi)星“羲和號(hào)”，其主要科學(xué)載荷是帶有Hα濾光片的太陽Hα成像光譜儀，在世界上首次實(shí)現(xiàn)對太陽Hα波段的光譜成像觀測。

太陽Hα譜線是太陽爆發(fā)時(shí)響應(yīng)最強(qiáng)的色球譜線，能夠直接反映太陽爆發(fā)的源區(qū)特征。通過對這條譜線的數(shù)據(jù)分析，可獲得太陽爆發(fā)時(shí)大氣溫度、速度等物理量的變化，研究太陽爆發(fā)的動(dòng)力學(xué)過程及物理機(jī)制，彌補(bǔ)當(dāng)前空間望遠(yuǎn)鏡在太陽低層大氣(光球和色球)觀測上的不足，顯著提高我國在太陽物理領(lǐng)域的國際影響力。

該太陽觀測衛(wèi)星可在同一時(shí)間得到Hα波段附近任意波長點(diǎn)的全日面圖像，實(shí)現(xiàn)全天候、高時(shí)空分辨率、高光譜分辨率的太陽觀測，為太陽爆發(fā)的研究提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。

但要實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率成像，要求在成像過程中探測載荷具有極高的指向精度和穩(wěn)定度，所以對該衛(wèi)星平臺(tái)的性能提出了極大的挑戰(zhàn)。為此，“羲和號(hào)”采用了超高指向精度、超高穩(wěn)定度平臺(tái)(簡稱“雙超”衛(wèi)星平臺(tái))設(shè)計(jì)，首次在軌應(yīng)用了磁浮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)艙、載荷艙可分離式構(gòu)型設(shè)計(jì)，從而使載荷艙具有超高精度指向控制和超高穩(wěn)定度，較現(xiàn)有水平提升1至2個(gè)數(shù)量級(jí)，這對我國衛(wèi)星空間科學(xué)探測及衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

對地球和人類造成影響的黑子、太陽耀斑抑或日冕物質(zhì)拋射，產(chǎn)生的根源都是太陽磁場。擬于2022年10月發(fā)射的我國第二顆太陽觀測衛(wèi)星“先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)”，其主要科學(xué)目標(biāo)就是揭示太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射(“一磁兩暴”)的起源、相互作用和彼此關(guān)聯(lián)。

“先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)”重888千克，運(yùn)行在高720千米的太陽同步軌道上，能24小時(shí)對太陽進(jìn)行連續(xù)不斷地觀測，設(shè)計(jì)壽命至少4年，因此，可在太陽第25活動(dòng)周的峰年期間，對太陽上兩類最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象——太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射，以及全日面矢量磁場開展同時(shí)觀測，也能為災(zāi)害性空間天氣預(yù)報(bào)提供支持。該衛(wèi)星入軌后，每天將產(chǎn)生大約500GB的觀測數(shù)據(jù)，且全部科學(xué)數(shù)據(jù)和分析軟件將面向全球用戶開放共享，共同實(shí)現(xiàn)其科學(xué)目標(biāo)。

為了測量太陽磁場、觀測日冕物質(zhì)拋射和太陽耀斑，“先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)”攜帶3臺(tái)科學(xué)觀測儀器。其中的萊曼阿爾法太陽望遠(yuǎn)鏡工作在一個(gè)國際上最新的觀測波段窗口，用于在紫外萊曼阿爾法與可見光波段對全日面和內(nèi)日冕進(jìn)行成像，觀測日冕物質(zhì)拋射、太陽耀斑以及暗條等劇烈的太陽大氣爆發(fā)活動(dòng)，為空間天氣預(yù)報(bào)提供內(nèi)日冕的觀測數(shù)據(jù)支持，填補(bǔ)國際上對該波段內(nèi)日冕觀測的空白，揭開更多關(guān)于太陽爆發(fā)的謎底;太陽硬X射線成像儀擁有國際上同類望遠(yuǎn)鏡中最多的99個(gè)探測器，用于觀測太陽耀斑爆發(fā)的非熱現(xiàn)象;全日面矢量磁像儀的時(shí)間分辨率相對較高，用于觀測太陽磁場，研究太陽耀斑爆發(fā)和日冕物質(zhì)拋射與太陽磁場之間的因果關(guān)系。

延伸閱讀

近距離探索太陽的奧秘

為了獲得更有價(jià)值、更高分辨率的太陽科學(xué)數(shù)據(jù)，近年研制、發(fā)射對太陽進(jìn)行近距離探測的太陽探測器正悄然興起。因?yàn)樗擞刑栍^測衛(wèi)星的優(yōu)點(diǎn)外，還具備一些“絕活”，例如可以對太陽背面進(jìn)行觀測，獲得太陽背面的活動(dòng)數(shù)據(jù)，這有助于對太陽電磁風(fēng)暴進(jìn)行中短期預(yù)報(bào);也能對太陽極區(qū)進(jìn)行觀測，從而全面研究太陽風(fēng)暴對日地空間環(huán)境的影響。

2018年 8 月，美國發(fā)射了“帕克太陽探測器”。其最大亮點(diǎn)是能“觸及太陽”，在距離太陽表面大約9個(gè)太陽半徑的地方(約600萬千米)，對太陽進(jìn)行全方位探測，獲取日冕、太陽風(fēng)等方面的信息。2020年2月，歐洲和美國聯(lián)合打造的“太陽軌道器”也升空了，它是首個(gè)能直接為太陽兩極拍照的探測器。

我國科學(xué)家也在建議實(shí)施下列計(jì)劃。一是“太陽顯微”計(jì)劃，用于對太陽進(jìn)行高分辨率或近距離多視角的多波段觀測。為此，科學(xué)家建議研制、發(fā)射“深空太陽天文臺(tái)”“太陽極區(qū)探測器”等。

二是“太陽全景”計(jì)劃，用于在關(guān)注太陽局部高分辨率觀測的同時(shí)，注重太陽整體行為的研究，多波段聯(lián)合診斷太陽變化規(guī)律，建立小尺度運(yùn)動(dòng)與大尺度變化的聯(lián)系，探求太陽變化機(jī)理。今年將要發(fā)射的“先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)”就屬于該計(jì)劃之一。

我國科學(xué)家還建議實(shí)施“鏈鎖”計(jì)劃，用于對日地整體聯(lián)系中的關(guān)鍵耦合環(huán)境進(jìn)行探測，了解日地空間天氣鏈鎖變化過程及規(guī)律，認(rèn)識(shí)太陽活動(dòng)對地球空間和人類社會(huì)的影響，實(shí)現(xiàn)精確的實(shí)時(shí)空間天氣預(yù)報(bào)服務(wù)。其主要的建議項(xiàng)目包括“夸父”計(jì)劃、“太陽爆發(fā)探測小衛(wèi)星”等，其中“磁層-電離層-熱層射電耦合”小衛(wèi)星星座探測計(jì)劃已經(jīng)立項(xiàng)研制。