「羲和號」探日成果發布，實現多項國際首次 相距1.5億公里，給太陽大氣做CT
2022-08-31 08:17 作者：馮 華 來源：人民網－人民日報 閱覽：
圖為「羲和號」效果圖。
中國航天科技集團八院供圖
製圖：蔡華偉
成功在軌運行10個月後，我國首顆太陽探測科學技術試驗衛星「羲和號」的科學探測和衛星技術成果今天正式公佈。從「羲和號」上「看」太陽，觀測到了什麼？這些科學探測成果，對於人類認識太陽有哪些新貢獻？後續太陽探測活動，還將如何開展？
相當于給太陽低層大氣做CT掃描
「羲和號」於2021年10月14日發射升空，運行於平均高度為517公里的太陽同步軌道。作為首位太陽專屬「攝影師」，「羲和號」的發射，意味著我國實現太陽空間探測「零的突破」。
「在科學探測方面，『羲和號』發射後成功實現了兩個首次，即國際首次獲得空間太陽Hα（氫阿爾法）波段光譜掃描成像以及國際首次在軌獲取太陽Hα譜線、Si I（中性硅原子）譜線和Fe I（中性鐵原子）譜線的精細結構。」國家高分辨率對地觀測系統總設計師兼副總指揮、國家航天局對地觀測與數據中心主任趙堅介紹。
「羲和號」衛星首席科學家、南京大學教授丁明德告訴記者，Hα譜線是太陽活動在太陽低層大氣中響應最強的譜線。對這條譜線開展探測，就可以同時獲得光球層和色球層的活動資訊，大大提高了我們對太陽爆發物理機制的認知。
「以前對於Hα譜線的探測只能在地球上進行，受到大氣干擾，探測數據經常不連續不穩定。」趙堅介紹，「羲和號」的主要科學載荷為太陽Hα成像光譜儀，通過光譜掃描成像，分辨率達到了0.0024納米，比地面濾光器的分辨率提高了約10倍，達到了國際先進水準。每張光譜掃描圖像實際上都包含了300多張照片，分別對應了光球層和色球層不同高度處的太陽圖像，因此相當于給太陽低層大氣做CT掃描。而每一張「CT圖」上，又反映了日面上近1600萬個點的資訊。
除了太陽Hα譜線，「羲和號」還同時獲得了Si I譜線和Fe I譜線。尤其是Si I譜線，以往在地面觀測時被地球大氣的水分子譜線掩蓋，「羲和號」在空間直接觀測到了Si I完整的譜線輪廓，這是國際上的第一次。通過三條譜線的研究，結合「羲和號」獲得的全日面色球和光球的多普勒速度圖，可以反演計算出太陽大氣的溫度、密度、速度，從而幫助我們深入研究太陽的大氣結構，瞭解太陽爆發活動的觸發原因和傳播過程，更好地開展空間天氣預報，保障人類生命安全。
專家表示，「羲和號」衛星在軌開展的相關試驗，是國際上第一次在太空進行Hα譜線研究，目前已經獲得了2項太陽探測國際科學成果，顯著提高了我國在太陽物理領域的國際影響力。
非接觸式磁浮衛星平台讓拍照更準、更穩
「羲和號」在新型衛星技術試驗方面也實現了多個首次，如國際首次實現了主從協同非接觸「雙超」（超高指向精度、超高穩定度）衛星平台技術在軌性能驗證及工程應用；實現了國際首臺太陽空間Hα成像光譜儀在軌應用；實現了國際首臺原子鑒頻太陽測速導航儀在軌驗證等。
「羲和號」衛星系統總指揮、中國航天科技集團八院科技委常委陳建新表示，要在相距太陽1.5億公里遠的地球附近對太陽「明察秋毫」，就對相機的指向精度和穩定度提出了更高的要求。「羲和號」衛星在國際首次採用基於「動靜隔離、主從協同」理念的非接觸式磁浮衛星平台，就像給相機裝上了高精尖的「雲臺」，讓相機對得準、拍得穩。
「在太空中，衛星載荷哪怕一次微小振動，都會讓成像效果差之毫釐、謬以千里。」陳建新介紹，「雙超」衛星平台採用磁浮控制技術，將平台與載荷的物理接觸澈底隔絕，確保載荷成像不受平台擾動的影響，將我國衛星平台的姿態控制水準提昇了1至2個數量級，達到了國際先進水準。
此外，「羲和號」還在軌驗證了艙間無線能源傳輸、雷射通信、無線通信等多項衛星平台新技術。
趙堅表示，隨著我國航天產業的不斷發展，對地觀測、空間科學探測等各類航天任務對高性能衛星平台的需求越來越迫切，尤其亟鬚髮展具有超高指向精度、超高穩定度指標的衛星平台。「『羲和號』高性能技術衛星平台在軌試驗，是世界上首次將磁浮技術在航天器上進行工程應用，大幅提昇了我國空間觀測技術水準。」
據介紹，未來「雙超」平台技術將在高分辨率遙感、太陽立體探測、系外行星發現等新一代航天任務中得到推廣應用，推動我國空間技術的跨越式發展。
觀測到近百個太陽爆發活動，數據向全球開放共享
目前，「羲和號」每天都在按照既定計畫開展科學觀測，已經觀測到了近百個太陽爆發活動，相關研究工作正在開展。
趙堅介紹，我國在太陽觀測領域發表論文數量已居世界第二位，但之前使用的數據均來自國外衛星數據。「羲和號」發射成功後，國家航天局牽頭成立了衛星數據科學委員會，制定了數據政策，供國內外科學家研究、使用、共享衛星探測數據，力爭產生更多的原創性科學成果，為人類科學事業做出中國貢獻。目前，「羲和號」的科學數據已向全球開放共享。
「太陽爆發產生大量帶電高能粒子，對地球電磁環境造成嚴重破壞，其中尤以耀斑和日冕物質拋射對地球電磁環境影響最為顯著。這些太陽活動干擾通信和導航、威脅航天員的健康，甚至毁壞航天器，對太陽活動的觀測和研究不僅具有重要的科學意義，更具有巨大的應用價值。」趙堅表示，太陽活動週期約11年，當前正處於第二十五個太陽活動週期，全世界又進入太陽研究新的高峰期。我國作為航天大國，及時開展太陽探測活動十分必要。
自上世紀60年代以來，全世界已發射了70多顆太陽觀測衛星，聚焦于太陽黑子、耀斑和日冕物質拋射的觀測研究。未來5年，國外至少將發射5顆太陽探測衛星。
據介紹，今年我國還將發射先進天基太陽天文臺衛星，以「一磁兩暴」為科學目標，對太陽耀斑、日冕物質拋射和全日面矢量磁場開展觀測，為預報嚴重影響人類正常生活的空間災害性天氣提供支持。
此外，我國正在論證後續太陽探測發展計畫，科學家們希望按照在黃道面內多視角探測、大傾角太陽極區探測和太陽抵近觀測「三步走」實施，由易到難，逐步深入，進一步瞭解太陽的構造，確定太陽活動的三維結構，掌握機理和活動規律，為人類科學事業的發展貢獻中國力量。
中國航天科技集團八院供圖
製圖：蔡華偉
成功在軌運行10個月後，我國首顆太陽探測科學技術試驗衛星「羲和號」的科學探測和衛星技術成果今天正式公佈。從「羲和號」上「看」太陽，觀測到了什麼？這些科學探測成果，對於人類認識太陽有哪些新貢獻？後續太陽探測活動，還將如何開展？
相當于給太陽低層大氣做CT掃描
「羲和號」於2021年10月14日發射升空，運行於平均高度為517公里的太陽同步軌道。作為首位太陽專屬「攝影師」，「羲和號」的發射，意味著我國實現太陽空間探測「零的突破」。
「在科學探測方面，『羲和號』發射後成功實現了兩個首次，即國際首次獲得空間太陽Hα（氫阿爾法）波段光譜掃描成像以及國際首次在軌獲取太陽Hα譜線、Si I（中性硅原子）譜線和Fe I（中性鐵原子）譜線的精細結構。」國家高分辨率對地觀測系統總設計師兼副總指揮、國家航天局對地觀測與數據中心主任趙堅介紹。
「羲和號」衛星首席科學家、南京大學教授丁明德告訴記者，Hα譜線是太陽活動在太陽低層大氣中響應最強的譜線。對這條譜線開展探測，就可以同時獲得光球層和色球層的活動資訊，大大提高了我們對太陽爆發物理機制的認知。
「以前對於Hα譜線的探測只能在地球上進行，受到大氣干擾，探測數據經常不連續不穩定。」趙堅介紹，「羲和號」的主要科學載荷為太陽Hα成像光譜儀，通過光譜掃描成像，分辨率達到了0.0024納米，比地面濾光器的分辨率提高了約10倍，達到了國際先進水準。每張光譜掃描圖像實際上都包含了300多張照片，分別對應了光球層和色球層不同高度處的太陽圖像，因此相當于給太陽低層大氣做CT掃描。而每一張「CT圖」上，又反映了日面上近1600萬個點的資訊。
除了太陽Hα譜線，「羲和號」還同時獲得了Si I譜線和Fe I譜線。尤其是Si I譜線，以往在地面觀測時被地球大氣的水分子譜線掩蓋，「羲和號」在空間直接觀測到了Si I完整的譜線輪廓，這是國際上的第一次。通過三條譜線的研究，結合「羲和號」獲得的全日面色球和光球的多普勒速度圖，可以反演計算出太陽大氣的溫度、密度、速度，從而幫助我們深入研究太陽的大氣結構，瞭解太陽爆發活動的觸發原因和傳播過程，更好地開展空間天氣預報，保障人類生命安全。
專家表示，「羲和號」衛星在軌開展的相關試驗，是國際上第一次在太空進行Hα譜線研究，目前已經獲得了2項太陽探測國際科學成果，顯著提高了我國在太陽物理領域的國際影響力。
非接觸式磁浮衛星平台讓拍照更準、更穩
「羲和號」在新型衛星技術試驗方面也實現了多個首次，如國際首次實現了主從協同非接觸「雙超」（超高指向精度、超高穩定度）衛星平台技術在軌性能驗證及工程應用；實現了國際首臺太陽空間Hα成像光譜儀在軌應用；實現了國際首臺原子鑒頻太陽測速導航儀在軌驗證等。
「羲和號」衛星系統總指揮、中國航天科技集團八院科技委常委陳建新表示，要在相距太陽1.5億公里遠的地球附近對太陽「明察秋毫」，就對相機的指向精度和穩定度提出了更高的要求。「羲和號」衛星在國際首次採用基於「動靜隔離、主從協同」理念的非接觸式磁浮衛星平台，就像給相機裝上了高精尖的「雲臺」，讓相機對得準、拍得穩。
「在太空中，衛星載荷哪怕一次微小振動，都會讓成像效果差之毫釐、謬以千里。」陳建新介紹，「雙超」衛星平台採用磁浮控制技術，將平台與載荷的物理接觸澈底隔絕，確保載荷成像不受平台擾動的影響，將我國衛星平台的姿態控制水準提昇了1至2個數量級，達到了國際先進水準。
此外，「羲和號」還在軌驗證了艙間無線能源傳輸、雷射通信、無線通信等多項衛星平台新技術。
趙堅表示，隨著我國航天產業的不斷發展，對地觀測、空間科學探測等各類航天任務對高性能衛星平台的需求越來越迫切，尤其亟鬚髮展具有超高指向精度、超高穩定度指標的衛星平台。「『羲和號』高性能技術衛星平台在軌試驗，是世界上首次將磁浮技術在航天器上進行工程應用，大幅提昇了我國空間觀測技術水準。」
據介紹，未來「雙超」平台技術將在高分辨率遙感、太陽立體探測、系外行星發現等新一代航天任務中得到推廣應用，推動我國空間技術的跨越式發展。
觀測到近百個太陽爆發活動，數據向全球開放共享
目前，「羲和號」每天都在按照既定計畫開展科學觀測，已經觀測到了近百個太陽爆發活動，相關研究工作正在開展。
趙堅介紹，我國在太陽觀測領域發表論文數量已居世界第二位，但之前使用的數據均來自國外衛星數據。「羲和號」發射成功後，國家航天局牽頭成立了衛星數據科學委員會，制定了數據政策，供國內外科學家研究、使用、共享衛星探測數據，力爭產生更多的原創性科學成果，為人類科學事業做出中國貢獻。目前，「羲和號」的科學數據已向全球開放共享。
「太陽爆發產生大量帶電高能粒子，對地球電磁環境造成嚴重破壞，其中尤以耀斑和日冕物質拋射對地球電磁環境影響最為顯著。這些太陽活動干擾通信和導航、威脅航天員的健康，甚至毁壞航天器，對太陽活動的觀測和研究不僅具有重要的科學意義，更具有巨大的應用價值。」趙堅表示，太陽活動週期約11年，當前正處於第二十五個太陽活動週期，全世界又進入太陽研究新的高峰期。我國作為航天大國，及時開展太陽探測活動十分必要。
自上世紀60年代以來，全世界已發射了70多顆太陽觀測衛星，聚焦于太陽黑子、耀斑和日冕物質拋射的觀測研究。未來5年，國外至少將發射5顆太陽探測衛星。
據介紹，今年我國還將發射先進天基太陽天文臺衛星，以「一磁兩暴」為科學目標，對太陽耀斑、日冕物質拋射和全日面矢量磁場開展觀測，為預報嚴重影響人類正常生活的空間災害性天氣提供支持。
此外，我國正在論證後續太陽探測發展計畫，科學家們希望按照在黃道面內多視角探測、大傾角太陽極區探測和太陽抵近觀測「三步走」實施，由易到難，逐步深入，進一步瞭解太陽的構造，確定太陽活動的三維結構，掌握機理和活動規律，為人類科學事業的發展貢獻中國力量。
