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这就是中国优势 | 科技优势(六)羲和逐日:国际首次在轨获得太阳Hα谱线

华夏经纬网 > 新闻 > 热点聚焦      2022-07-19 10:55:12

这就是中国优势科技优势

【导语】“可上九天揽月,可下五洋捉鳖,谈笑凯歌还。”这是一种豪情与诗意,也是当今中国正创造的奇迹。中国人对未知的好奇、对探索的渴望、对困境的思考以及对美好未来的期待,推开了一扇扇崭新世界的大门:空间探测、生物医药、人工智能、量子科学……中国科技创新的步伐从未停止。正如习近平总书记所说,一切伟大成就都是持续奋斗的结果,一切伟大事业都需要在继往开来中推进。新时代必将是大有可为的时代。


太阳让地球万物得以生长,也影响着人类的生存和未来。2021年至2022年是人类有记录以来第25个太阳活动周期的开始,全世界又进入太阳研究新的高峰期。伴随着第一颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”成功发射,中国由此正式开始了空间探日时代。

2021年10月14日18时51分,搭载着中国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”的长征二号丁火箭在太原卫星发射中心成功发射。(图源:人民日报)

2021年10月14日18时51分,搭载着中国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”的长征二号丁火箭在太原卫星发射中心成功发射。(图源:人民日报)


中国首颗探日卫星上天了

人类观测太阳的活动具有漫长的历史,但是长期以来都是在地球上对太阳展开观测研究,直到上个世纪中叶人类才走向天基探测太阳的步伐。从世界范围来看,自上世纪60年代以来,全世界已发射了70多颗太阳观测卫星,聚焦于太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射的观测研究。

为何要去探测遥远的太阳?除了众所周知的光照外,太阳的异常活动同样会冲击现代生活。太阳距离地球平均达1.5亿公里,一旦太阳发生异常活动,耀斑和日冕物质抛射产生的磁云会裹挟着大量带电高能粒子,直奔地球而来,与现代生活息息相关的电磁环境将受到严重破坏,因此持续地对太阳活动进行监测是非常有必要。

例如2003年万圣节期间就有类似事件发生,不仅多颗科学卫星遭受不同程度损害,全球卫星通信受到干扰,GPS定位也大受影响,从太空到地面,各种需要即时通信和定位的交通系统都不同程度瘫痪。这次太阳风暴事件被称为“万圣节风暴”。因此持续地对太阳活动进行监测是非常有必要的。

2003年“万圣节风暴”期间,美国得克萨斯拍摄到的景象。(图源:NASA)

2003年“万圣节风暴”期间,美国得克萨斯拍摄到的景象。(图源:NASA)

中国第一颗太阳观测卫星定名为“羲和号”,取名灵感自中国上古神话中的太阳女神与制定时历的女神羲和,取义“效法羲和驭天马,志在长空牧群星”,象征中国对太阳探索的缘起与开拓。

“羲和号”从2019年6月正式立项,到2021年10月发射升空,仅仅用了两年就完成了研制攻关。卫星在轨运行期间,将观测太阳耀斑和日冕物质抛射的光球及色球表现,探究太阳爆发的源区动态特性和触发机制,同时探测太阳暗条形成和演化过程的色球表现,揭示其与太阳爆发的内在联系,还将获取全日面Hα波段多普勒速度分布,研究太阳低层大气动力学过程,为解决“太阳爆发由里及表能量传输全过程物理模型”等科学问题提供重要支撑。

作为中国派去观测太阳的第一位使者,“羲和号”一出手就不凡,在国际上首次实现太阳Hα波段光谱成像的空间探测,填补了太阳爆发源区高质量观测数据的空白,提高中国在太阳物理领域研究能力,对中国空间科学探测及卫星技术发展都具有重要意义。


羲和号开创了多个首次

“羲和号”全称为太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星,主要科学载荷为太阳空间望远镜。据了解,“羲和号”整星重量约508公斤,设计寿命3年,运行于517公里高度、倾角98度的太阳同步轨道,该轨道将经过地球的南北极,能够24小时连续对太阳进行观测。有人形象地把“羲和号”比喻成像是地球的一只眼睛,时刻观测着太阳的一举一动。从科学观测到技术试验,“羲和号”开创了许多国际首次。

中国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”(图源:国家航天总局)

中国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”(图源:国家航天总局)

国际首次在太空进行Hα谱线研究

“羲和号”主要科学载荷是Hα成像光谱仪,Hα是研究太阳活动在光球和色球响应时最好的谱线之一,通过对该谱线的数据分析,可获得太阳爆发时的大气温度、速度等物理量的变化,有助于研究太阳爆发的动力学过程和物理机制。

“羲和号”通过Hα成像光谱仪专门观测光球层和色球层,在国际上首次实现了全日面Hα波段的光谱成像。通过一次扫描(时间小于60秒),可以获得日面上近1600万个点的光谱信息,在300余个波长点上同时获得色球和光球的二维图像,这是前所未有的观测。

值得注意的是,中国在太阳观测领域发表论文数量已居世界第二位,但是使用的数据均来自于国外卫星数据。“羲和号”发射成功,打破中国在此领域的被动局面。

“羲和号”卫星模拟图(图源:国家航天局)

“羲和号”卫星模拟图(图源:国家航天局)

国际首创双超新技术卫星平台

“羲和号”采用了国际首创的超高指向精度、超高稳定度的“双超”卫星平台。它实现了平台舱和载荷舱“动静隔离非接触”总体设计,不仅阻断了平台舱微振动的传递路径,同时解决了平台舱热变形对载荷舱的影响。如果说“羲和号”是一位拍摄太阳的摄影师,那么“双超”将让他在举起相机时,瞄得快、对得准、拍得稳。

同时,“羲和号”卫星还将在轨验证无线能源传输、舱间无线通信、舱间激光通信、原子鉴频太阳导航仪等多项新技术和新产品。“羲和号”高性能技术卫星平台在轨试验成功后,是世界上首次将磁悬浮技术在航天器上进行工程应用,将大幅提升中国空间观测技术水平。


羲和号带回不少新消息

“羲和号”探日示意图(图源:国家航天局)

“羲和号”探日示意图(图源:国家航天局)

据国家航天局介绍,“羲和号”卫星经过三个多月的在轨测试和实验,已经完成卫星平台技术验证40多次,对太阳进行探测成像290多次,卫星的平台及有关载荷工作稳定正常,功能和性能满足研制总要求。目前,该卫星已经取得了一系列技术和科学实验成果。

一是在轨验证了新型高精度卫星平台的超高指向精度和超高稳定度技术,与传统的同等惯量卫星平台相比,这颗卫星的指向精度和稳定精度均提高了两个数量级。

二是在太阳科学探测方面,该卫星在轨获得了太阳Hα谱线,全日面的Hα波段的光谱图像,属国际首次。太阳的Hα谱线是光子与氢原子相互作用后,电子能级跃迁产生的谱线,是太阳暴发时响应最强烈的一个谱线,能够直接反映暴发的特征。

以前,人类对太阳的观测,Hα谱线只能在地球上进行探测,但因为受到大气扰动,这个数据是不连续、不稳定的。现在通过卫星在轨进行探测,就可以去掉这些不稳定因素,对太阳进行高分辨率的观测和成像,可以更加准确地获得太阳暴发时大气温度、速度等物理量的变化,进而建立起太阳暴发从光球到日冕的能量积累、释放、传输的完整物理模型,对研究太阳暴发的动力学过程及物理机理提供关键数据,有望获得有国际影响力的科学产出。


“羲和”之后还有“夸父”

中国目前已经制定了两个太阳探测计划:“羲和”和“夸父”。“羲和号”实现了中国太阳探测破冰之旅,而“夸父”计划是研制发射先进天基太阳天文台卫星,对太阳进行科学观测,已纳入中国科学院先导计划。

先进天基太阳天文台卫星效果图(图源:中国科学院紫金山天文台)

先进天基太阳天文台卫星效果图(图源:中国科学院紫金山天文台)

据中国科学院消息,今年下半年,中国首颗综合性太阳探测卫星——先进天基太阳天文台(ASO-S)将于10月在酒泉卫星发射中心择机发射。它将用于研究太阳的“一磁两暴”,“一磁”指的是太阳磁场,大部分的太阳活动都直接受到太阳磁场的支配,而“两暴”指的是太阳上两类最剧烈的爆发现象,即太阳耀斑和日冕物质抛射。

ASO-S将利用太阳活动第25周峰年的契机,对耀斑、日冕物质抛射和全日面矢量磁场开展同时观测,研究“一磁两暴”的起源、相互作用及彼此关联,为严重影响人类正常生活的空间灾害性天气预报提供支持。

当前中国的有关近距离探测太阳的计划已经在行动之中,国内有多个科研团队都在从事相应的研究,其中克服接近太阳时的高温高热材料研发和工程保障是其中的重中之重。在不远的将来,中国近距离探测太阳的装置也将会踏上征途。

太阳还有很多未知等着人类发现,中国人探索太空的脚步也不会停息。从嫦娥探月到天问探火,再到羲和探日,中国航天不断创造新的历史。心怀山海,眼有星辰,永葆初心,中国航天人必将一次次把祖国的荣耀写上太空!


(资料来源:人民日报、科技日报、央视新闻、环球时报、北京科技报、中国青年报)


责任编辑:姚思寒
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