文 /劉巖 錢(qián)航 張蓉

10月9日，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心使用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭，成功發(fā)射先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)（ASO-S）衛(wèi)星，又稱(chēng)“夸父一號(hào)”。它將使我國(guó)科學(xué)家進(jìn)一步深入研究太陽(yáng)，幫助解決諸多科學(xué)難題：太陽(yáng)的活動(dòng)機(jī)制是怎樣的？太陽(yáng)光球?qū)哟艌?chǎng)怎么變化？日冕拋射遵循怎樣的模式？人類(lèi)如何加強(qiáng)預(yù)測(cè)，讓航天器和航天員避開(kāi)高能電磁風(fēng)暴？

▲ ASO-S衛(wèi)星觀測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)示意圖

▲ ASO-S衛(wèi)星搭載于長(zhǎng)征二號(hào)丁火箭發(fā)射。汪江波 攝

▲ 太陽(yáng)活動(dòng)影響地球及大氣層示意圖

上天看太陽(yáng)好處多

介紹ASO-S衛(wèi)星之前，我們先要弄清一個(gè)問(wèn)題：如今天文望遠(yuǎn)鏡那么先進(jìn)，為什么科研人員不能在地面上全方位觀察太陽(yáng)活動(dòng)呢？

打個(gè)比方，假如10米外有1根點(diǎn)燃的蠟燭，人站在原地能觀測(cè)到什么呢？肉眼只能看到火焰光芒；借助一些科學(xué)儀器，能夠?qū)鹧骖伾M(jìn)行光譜分析，獲知火焰中等離子體電子的電離能量；通過(guò)溫度計(jì)，能測(cè)出蠟燭燃燒時(shí)的熱傳導(dǎo)和熱輻射狀況。如果蠟燭火焰上方冒黑煙，那可能是蠟燭正在不完全燃燒。為什么會(huì)這樣？蠟燭會(huì)不會(huì)是由特殊物質(zhì)構(gòu)成呢？諸如此類(lèi)問(wèn)題都要求觀察者更靠近蠟燭。

同理，在地面借助望遠(yuǎn)鏡和電磁測(cè)量?jī)x等，人類(lèi)也能分析出太陽(yáng)的組成、光亮度、表面溫度、輻射等，建立許多科學(xué)模型來(lái)解釋太陽(yáng)活動(dòng)。但這些理論僅僅是基于太陽(yáng)表面特征及科學(xué)數(shù)據(jù)的推斷，相關(guān)驗(yàn)證以及對(duì)于太陽(yáng)異?；顒?dòng)的解釋都不能靠地面觀測(cè)解決。所以人類(lèi)需要把儀器盡可能地搬到太陽(yáng)附近進(jìn)行觀察，獲取更多科學(xué)數(shù)據(jù)，開(kāi)展更全面更詳細(xì)的研究。

其實(shí)，人類(lèi)不斷深入研究太陽(yáng)的過(guò)程，伴隨著與科技進(jìn)步的相互促進(jìn)。3000多年前，古巴比倫天文學(xué)家觀察到太陽(yáng)沿著黃道面運(yùn)動(dòng)不均勻，預(yù)測(cè)太陽(yáng)軌道，促進(jìn)了幾何物理飛躍。2000多年前，中國(guó)先賢長(zhǎng)期觀測(cè)和記錄太陽(yáng)黑子，為探索太陽(yáng)活動(dòng)周期提供了珍貴科學(xué)數(shù)據(jù)。1904年，科學(xué)家首次提出“太陽(yáng)的能源是由內(nèi)部的熱源提供的，放射性衰變是維持太陽(yáng)生命的關(guān)鍵”，由此催生了黑子磁場(chǎng)、日冕、氫氦聚變、質(zhì)子反應(yīng)鏈等當(dāng)時(shí)前沿的科研項(xiàng)目。

理論模型需要逐步證實(shí)，從而促進(jìn)了探日工程啟動(dòng)。20世紀(jì)60年代，美國(guó)發(fā)射先鋒號(hào)探測(cè)器，首次在太陽(yáng)同步軌道上準(zhǔn)確測(cè)量了太陽(yáng)風(fēng)和太陽(yáng)磁場(chǎng)。70年代，太陽(yáng)神號(hào)探測(cè)器和“天空實(shí)驗(yàn)室”提供了大量關(guān)于太陽(yáng)風(fēng)暴、日冕層和日冕物質(zhì)拋射的科學(xué)數(shù)據(jù)。90年代，日本發(fā)射探日衛(wèi)星，長(zhǎng)時(shí)間記錄了太陽(yáng)耀斑的活動(dòng)情況和分布。當(dāng)前正不斷靠近太陽(yáng)的帕克號(hào)探測(cè)器引人關(guān)注，有望于2025年空前近距離觀測(cè)外層日冕。

我國(guó)太陽(yáng)空間觀測(cè)雖起步晚，但發(fā)展快。2021年7月5日，風(fēng)云三號(hào)E星發(fā)射升空，首次搭載了太陽(yáng)X-EUV成像儀。2021年10月14日，“羲和號(hào)”成功發(fā)射，成為國(guó)內(nèi)首顆太陽(yáng)探測(cè)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星。

這次發(fā)射的ASO-S衛(wèi)星則是我國(guó)首顆綜合性太陽(yáng)觀測(cè)專(zhuān)用衛(wèi)星。我國(guó)太陽(yáng)物理學(xué)界2011年提出太陽(yáng)空間探測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃方案，力爭(zhēng)抓住太陽(yáng)第25周峰年的契機(jī)，加強(qiáng)探索太陽(yáng)，成果就是ASO-S衛(wèi)星。簡(jiǎn)單地說(shuō)，我國(guó)科研人員要把測(cè)量太陽(yáng)的精密儀器在巧妙的時(shí)間控制中送到離太陽(yáng)盡可能近的位置，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)我國(guó)太陽(yáng)衛(wèi)星探測(cè)領(lǐng)域的進(jìn)一步突破。

挑戰(zhàn)“國(guó)際首次”擔(dān)當(dāng)重任

ASO-S衛(wèi)星擁有多個(gè)“國(guó)際首次”——國(guó)際上首次以“一磁兩暴”（太陽(yáng)磁場(chǎng)、太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射）作為衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)并配置相應(yīng)的載荷組合；國(guó)際上首次在一顆衛(wèi)星平臺(tái)上對(duì)全日面矢量磁場(chǎng)、太陽(yáng)耀斑非熱輻射成像，同時(shí)觀測(cè)日冕拋射物質(zhì)的日面形成和近日冕傳播；國(guó)際上首次在萊曼阿爾法波段實(shí)現(xiàn)全日面和近日冕同時(shí)觀測(cè)。

據(jù)公開(kāi)資料顯示，ASO-S衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)是研究耀斑與日冕拋射物質(zhì)的相互關(guān)系和形成規(guī)律；研究耀斑爆發(fā)、日冕拋射物質(zhì)與太陽(yáng)磁場(chǎng)之間的因果關(guān)系；研究太陽(yáng)爆發(fā)能量的傳輸機(jī)制及動(dòng)力學(xué)特征；探索太陽(yáng)爆發(fā)，為我國(guó)空間天氣預(yù)報(bào)提供支持。

具體來(lái)說(shuō)，ASO-S衛(wèi)星的首要任務(wù)是對(duì)“一磁兩暴”進(jìn)行重點(diǎn)科學(xué)數(shù)據(jù)采集。

太陽(yáng)磁場(chǎng)輻射范圍很大，涉及太陽(yáng)內(nèi)部、表面及太陽(yáng)周?chē)沼虻暮芏鄰?fù)雜動(dòng)態(tài)變化，是學(xué)界長(zhǎng)期關(guān)注的要點(diǎn)。

太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射對(duì)于日常生活有很大影響。盡管太陽(yáng)距離地球約1.5億千米，但太陽(yáng)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(lái)，對(duì)地球環(huán)境，尤其是與人們生活息息相關(guān)的電磁環(huán)境，造成嚴(yán)重破壞。

2003年萬(wàn)圣節(jié)期間，太陽(yáng)“不甘寂寞”，充當(dāng)了一次“搗蛋鬼”的角色，結(jié)結(jié)實(shí)實(shí)給地球搗了一次亂，使歐美的GOES、ACE、SOHO和 WIND等一系列科學(xué)衛(wèi)星都遭受到不同程度的損害，導(dǎo)致全球衛(wèi)星通信受到干擾，GPS全球定位系統(tǒng)受到影響，定位精度出現(xiàn)了偏差，致使地面和空間一些需要即時(shí)通信和定位的交通系統(tǒng)遭到不同程度癱瘓。

今年7月20日左右，一波太陽(yáng)風(fēng)暴襲擊了地球，導(dǎo)致衛(wèi)星運(yùn)行和無(wú)線電信號(hào)受到一定干擾。

▲ 日冕物質(zhì)拋射

為了避免人類(lèi)生存環(huán)境遭受影響，研究和預(yù)報(bào)太陽(yáng)的爆發(fā)活動(dòng)成了必不可少的。據(jù)計(jì)算，一旦發(fā)生太陽(yáng)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，以避免對(duì)人類(lèi)生存環(huán)境造成破壞。這正是先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)衛(wèi)星的使命。

當(dāng)前太陽(yáng)研究最大的難題就是預(yù)測(cè)日冕物質(zhì)拋射并探討其機(jī)理。這類(lèi)研究只有少量近代觀測(cè)數(shù)據(jù)為支撐。至于日冕物質(zhì)拋射引發(fā)的太陽(yáng)近表面磁場(chǎng)變化研究，還停留在摸索階段。所以，人類(lèi)迫切需要更多深層數(shù)據(jù)，ASO-S衛(wèi)星就肩負(fù)起觀測(cè)太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射形成規(guī)律的重任。

ASO-S衛(wèi)星的第二個(gè)任務(wù)是對(duì)全日面的太陽(yáng)矢量磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，幫助人類(lèi)研究太陽(yáng)耀斑爆發(fā)、日冕物質(zhì)拋射與太陽(yáng)磁場(chǎng)的因果關(guān)系。另外，ASO-S衛(wèi)星將觀測(cè)太陽(yáng)不同層次對(duì)于太陽(yáng)物質(zhì)爆發(fā)的響應(yīng)機(jī)理，研究日冕物質(zhì)拋射和太陽(yáng)風(fēng)暴的傳輸機(jī)制和動(dòng)力學(xué)特征。

總體來(lái)看，ASO-S衛(wèi)星的任務(wù)目標(biāo)非常前沿，也是學(xué)界亟待解決的問(wèn)題。舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)深入研究太陽(yáng)風(fēng)暴，科學(xué)家可以改進(jìn)并完善覆蓋空天的天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，使航天員在第一時(shí)間獲取太陽(yáng)風(fēng)暴信息，在軌工作生活更安全。

▲ ASO-S衛(wèi)星運(yùn)行示意圖

▲ ASO-S衛(wèi)星配置示意圖

為獲得盡可能多的觀測(cè)時(shí)間，ASO-S衛(wèi)星采用了高度720千米左右、周期約99分鐘的太陽(yáng)同步晨昏軌道。這樣的軌道僅在每年5月中旬到8月內(nèi)存在陰影，而且每軌最長(zhǎng)陰影時(shí)間不超過(guò)18分鐘。

太陽(yáng)活動(dòng)呈周期性變化，周期平均為11年，太陽(yáng)黑子是太陽(yáng)活動(dòng)的重要標(biāo)志。在一個(gè)活動(dòng)周期開(kāi)始后，太陽(yáng)黑子數(shù)量逐漸增多，太陽(yáng)活動(dòng)加劇，太陽(yáng)黑子數(shù)量達(dá)到最多的年份，稱(chēng)為太陽(yáng)峰年。太陽(yáng)活動(dòng)第25周峰年預(yù)計(jì)在2024年到2025年左右出現(xiàn)。

為此，ASO-S衛(wèi)星計(jì)劃以太陽(yáng)活動(dòng)第25周峰年作為契機(jī)，詳細(xì)記錄該時(shí)間段的太陽(yáng)風(fēng)暴。科學(xué)家在研究太陽(yáng)活動(dòng)規(guī)律的同時(shí)，及時(shí)預(yù)報(bào)太陽(yáng)暴發(fā)對(duì)人類(lèi)的影響，以造福全人類(lèi)。

“法寶”打造“六邊形戰(zhàn)士”

為擔(dān)當(dāng)重任，ASO-S衛(wèi)星配備了不少“法寶”。

首先是全日面矢量測(cè)像儀，重點(diǎn)用于太陽(yáng)光球?qū)拥氖噶看艌?chǎng)成像觀測(cè)。它有望貢獻(xiàn)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，研究太陽(yáng)磁場(chǎng)的發(fā)生、發(fā)展和相互作用，更好地揭示日冕物質(zhì)拋射的觸發(fā)機(jī)制、傳動(dòng)機(jī)制和釋放機(jī)制。

該儀器使用了圖像堆疊技術(shù)，圖像在30秒內(nèi)會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)極小的區(qū)間內(nèi)。相比美英日合作的日出號(hào)衛(wèi)星觀測(cè)設(shè)備，它具有更大的視場(chǎng)、更高的觀測(cè)效率和時(shí)間分辨率；對(duì)比美國(guó)SDO衛(wèi)星和美歐SOHO衛(wèi)星設(shè)備，它的觀測(cè)模式簡(jiǎn)單，磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度高。

▲ ASO-S衛(wèi)星構(gòu)造簡(jiǎn)圖

總之，全日面矢量測(cè)像儀可以幫助人類(lèi)更好地理解空間天氣中磁能的傳輸、積累和釋放問(wèn)題，深入探究太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射過(guò)程中的能量積累、觸發(fā)、釋放和傳輸機(jī)制，為空間天氣預(yù)報(bào)提供觀測(cè)基礎(chǔ)。據(jù)悉，這項(xiàng)技術(shù)意味著我國(guó)在高精度光電成像系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了壁壘突破。

ASO-S衛(wèi)星的第二件“法寶”是太陽(yáng)硬X射線成像儀，將對(duì)太陽(yáng)耀斑和太陽(yáng)表面進(jìn)行整體觀測(cè)和數(shù)據(jù)收集。太陽(yáng)耀斑爆發(fā)時(shí)，相關(guān)數(shù)據(jù)與X射線的流量形成正相關(guān)，提供了偵測(cè)太陽(yáng)耀斑的“捷徑”。

你可能擔(dān)心：X射線穿透能力很強(qiáng)，可以穿過(guò)一般的反射鏡和透鏡，怎么聚焦成像呢？

原來(lái)太陽(yáng)硬X射線成像儀由3臺(tái)結(jié)構(gòu)獨(dú)立的單機(jī)組成，類(lèi)似相機(jī)中的鏡頭、CCD和控制系統(tǒng)，就像高科技復(fù)眼，不同光柵“鏡筒”各司其職，有的擅長(zhǎng)看大輪廓，有的擅長(zhǎng)看小細(xì)節(jié)，綜合起來(lái)，就是強(qiáng)大的觀測(cè)陣列，能量探測(cè)范圍廣，空間分辨率高。對(duì)比國(guó)際同類(lèi)儀器，探頭數(shù)目要多，它配備了99個(gè)探測(cè)器，性能強(qiáng)大。

第三件“法寶”叫做萊曼阿爾法太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡，專(zhuān)注觀測(cè)日冕層。萊曼阿爾法線是日面和日冕上觀測(cè)到的最強(qiáng)紫外譜線，有助于研究太陽(yáng)色球及日冕結(jié)構(gòu)（如耀斑、暗條、日冕物質(zhì)拋射等）的輻射。

目前國(guó)外探日衛(wèi)星搭載的某些儀器也能對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行同波段全局流量監(jiān)測(cè)，但無(wú)法全面開(kāi)展日面和日冕的成像觀測(cè)，科研人員不能了解太陽(yáng)活動(dòng)在相關(guān)特定波段的變化。

相比之下，萊曼阿爾法太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡具有特殊紫外和可見(jiàn)光雙波段觀測(cè)能力，成像信息更完整，分辨率更高，能幫助科學(xué)研究更專(zhuān)注于某個(gè)方向，消除其他波長(zhǎng)的干擾，提供了新的觀測(cè)波段“窗口”。

這些“法寶”作用極大。以空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警為例，科研人員可以通過(guò)全日面矢量磁像儀的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)分析太陽(yáng)耀斑發(fā)生的概率；通過(guò)萊曼阿爾法太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)研究耀斑與日冕物質(zhì)拋射的關(guān)系；通過(guò)硬X射線成像儀對(duì)日冕物質(zhì)拋射的觀測(cè)，預(yù)測(cè)其到達(dá)地球的時(shí)間和影響，以便相關(guān)部門(mén)及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。

更重要的是，ASO-S衛(wèi)星將為國(guó)際太陽(yáng)物理學(xué)研究提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)——太陽(yáng)矢量磁場(chǎng)、視向速度、萊曼阿爾法全日面及內(nèi)日冕圖像、硬X射線流量、能譜和成像數(shù)據(jù)等，因此也被科研人員稱(chēng)為“六邊形戰(zhàn)士”。

據(jù)了解，ASO-S衛(wèi)星投入使用后，每天將產(chǎn)生大約500GB探測(cè)數(shù)據(jù)，獲取的全部科學(xué)數(shù)據(jù)和分析軟件將面向全球用戶(hù)開(kāi)放共享，共同實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，造福人類(lèi)。