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”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，日前已啟動征名活動，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科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星”，昵稱“羲和號”，它標(biāo)志我國正式進(jìn)入“探日時代”。今年我國即將發(fā)射的“先進(jìn)天基太陽天文臺”，將讓人類更加清楚地認(rèn)識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。但這個脾氣有些暴躁的火球活動活躍時，也會對地球影響很大，給地球上的人類造成麻煩。

太陽無時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，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，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)識太陽的變化及對人類的影響。

太陽會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受到陰雨天氣影響，無法做到連續(xù)觀測，而且還會受到地球大氣吸收、擾動等因素的影響，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，一旦發(fā)生太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射等爆發(fā)活動，科學(xué)家可以至少提前40個小時得到信息，從而及時做出相關(guān)的防護(hù)舉措，避免太陽活動對人類生存環(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-1”。1962年至1975年，美國共發(fā)射了8顆“軌道太陽觀測臺”，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，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”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”升空。每個“日地關(guān)系觀測臺”裝有16臺共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、太陽活動對整個太陽系造成的影響，以及日冕的產(chǎn)生、活動及其噴發(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”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“太陽動力學(xué)觀測臺”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”，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)時大氣溫度、速度等物理量的變化，研究太陽爆發(fā)的動力學(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)星平臺的性能提出了極大的挑戰(zhàn)。為此，“羲和號”采用了超高指向精度、超高穩(wěn)定度平臺(簡稱“雙超”衛(wèi)星平臺)設(shè)計(jì)，首次在軌應(yīng)用了磁浮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了平臺艙、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個數(shù)量級，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”，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”重888千克，運(yùn)行在高720千米的太陽同步軌道上，能24小時對太陽進(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”攜帶3臺科學(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，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”“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，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”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)識太陽活動對地球空間和人類社會的影響，實(shí)現(xiàn)精確的實(shí)時空間天氣預(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。