未来,在720公里之上遥望太阳
2021-01-20 08:47:00  来源:新华日报  
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继“探月”“探火”之后,我国“探日”正在提上日程。记者日前从中国科学院紫金山天文台获悉,我国第一颗综合性太阳探测卫星——先进天基太阳天文台(ASO-S)的工程样机研制即将完成,再经过1年左右的飞行样机研制后,计划于2022年择机发射升空,预期在轨运行不少于4年。我们为什么要上天“探日”?我们的太阳探测卫星有哪些科学目标?实现这些科学目标要跨越多少难关?记者采访了ASO-S卫星工程首席科学家、中科院紫金山天文台甘为群研究员。

为何上天“探日”

太阳是一个天然的物理实验室

逐日追风,人类自古有之。夸父追日、后羿射日、金乌负日等古代神话传说,无不折射出人类对于太阳的好奇心。如今,先进的科学技术使我们有机会看到更真切的太阳。

大约46亿年前,在距离银河系中心约2.6万光年之处的螺旋臂上,一团分子云开始在自身的引力作用下坍缩,并逐渐形成了我们今天所熟悉的太阳。太阳距离我们约1.5亿千米,而它发出的光需要8分钟的时间才能抵达地球。

即使这么遥远,太阳依然是与我们关系最密切的一颗恒星,也是唯一一颗可以详细研究的恒星。它为什么会发光?它是永恒存在的吗?它的结构是什么?它有哪些显著特征?它会对地球造成哪些影响?为了回答这些问题,科学家不仅发展出了相应的理论基础,还建造或发射了各种探测器,层层揭开太阳的神秘面纱。

“从研究自然规律、自然科学的角度来说,太阳是一个非常好的天然的物理实验室,可供我们研究的内容非常丰富。”甘为群说,太阳上发生的物理现象,在中学到大学的物理教科书和物理学前沿研究中都能找到相应的内容。除了太阳内部物理过程,太阳的表面、大气、磁场、结构、波动、全波段辐射、等离子体、流体的规律……都可以观测研究,而这些物理现象在其他天体上进行详细观测是不可想象的。

为什么要在空间进行太阳探测?甘为群解释说,由于地球大气层的存在,在地面上对太阳进行观测,只能观测到可见光和有限的射电辐射,它们在宽广的太阳辐射波谱中只占很小的一部分。而更多波段辐射,比如大部分紫外和红外线、X射线和伽马射线等高能辐射,在到达地面前就被地球大气吸收掉了。“卫星的优势在于能够完全脱离地球大气的影响,从各个波段研究太阳,从而描绘出一幅完整的太阳图像。”

自上世纪60年代以来,世界各国已经先后发射了六七十颗太阳探测卫星进入太空。在这场太阳的探索之旅中,我国在太阳探测卫星方面一直缺席。甘为群告诉记者,多年来我国天文学家根据国外的卫星观测资料做研究、写论文,相关研究成果在国际上虽然名列前茅,但是还缺少原创性贡献。中国要做科技强国,应该对国际上的科研多做原创性贡献。目前我国科技实力增强,国家正在迎头赶上,作为我国第一颗综合性太阳探测卫星,ASO-S应运而生。ASO-S也是中国科学院战略性先导专项“空间科学(二期)”启动的四项卫星工程之一。

ASO-S卫星有何不一样

为研究“一磁两暴”搭载三台载荷

与目前在天上飞的其他国家的太阳探测卫星相比较,ASO-S有何不一样?甘为群说,ASO-S最大的特点,就是其科学目标。他强调,ASO-S首先是一颗科学卫星而非应用卫星。

“太阳上最猛烈的两个喷发是太阳耀斑和日冕物质抛射,人们现在认为它们起源于太阳磁场。太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射之间的关系是太阳物理学领域最重要的课题之一。”甘为群将太阳磁场、耀斑和日冕物质抛射简称为“一磁两暴”,而ASO-S的科学目标也正是“一磁两暴”。

为了实现这一科学目标,ASO-S的载荷配置也很有特色。“我们给卫星设计了三个载荷,即携带三台仪器,一个叫全日面矢量磁像仪,专门观测太阳磁场;一个叫硬X射线成像仪,专门观测太阳耀斑;一个叫莱曼阿尔法太阳望远镜,专门观测日冕物质抛射。这样的科学目标和载荷配置,构成了我们卫星的特色。”甘为群说,在天文研究中,组合观测即在多波段同时进行观测非常重要。“比如从红外看,从紫外看,从X射线看,从伽马射线看,不同的波段反映不同的物理过程,同一个东西在同一时间通过不同的波段观测,能够反映物理的不同方面,所以这也是我们卫星的特色所在。”

除了组合特色外,三台仪器也有一定自己的特色。比如全日面矢量磁像仪,其时间分辨率相对较高;硬X射线成像仪比国际同类仪器探头数目要多,我们有99个探测器;莱曼阿尔法太阳望远镜则是进行内日冕观测,同时莱曼阿尔法本身又是一个新的波段窗口。

卫星“登天”,关键技术的攻坚克难也是“难比登天”。

甘为群告诉记者,仅硬X射线成像仪就至少需要攻克三个关键技术。以光栅的加工为例,硬X射线成像仪的99个探头相当于一个个的小眼睛,这些小眼睛前面是由光栅构成的,X射线光子需要穿过光栅中的缝隙,而最窄的缝隙只有18微米(1微米=0.001毫米),比头发丝还要细。“这需要非常非常精细的工艺,像做一本书一样,我们先加工一张张带有狭缝的薄‘纸’,再把一张张的薄纸粘贴成一本有着均匀缝隙的‘厚书’,而每条缝隙的对齐精确要远小于狭缝的宽度。”此外,硬X射线成像仪的前端光栅和后端光栅相差1.2米,光栅在前后端要对得分毫不差才行,否则无法成像,同时还要考虑热胀冷缩、空间环境恶劣、经历发射过程等因素。“这一技术之前在我国是空白,经历了整整三年我们才完成了关键技术攻关。”

还有莱曼阿尔法望远镜,它实际上由三台望远镜组成,其中最难研发的一台叫做日冕仪。日冕仪不是看太阳的“圆盘”,而是看太阳“圆盘”外面从1.1个太阳半径到2.5个太阳半径的区域,这一区域的光跟“圆盘”比相差10的-7次方到10的-8次方,它的光太弱了!必须要把日面的强光挡住,才能测到这一区域的光,难度可想而知。

为何选择2022年发射

详细记录第25个太阳活动周期的“太阳风暴”

据了解,目前ASO-S卫星工程样机研制即将完成,即卫星已经从图纸做成了产品。工程样机将进行一系列的实验,其中最重要的就是环境模拟实验,模拟它在天上工作,模拟遥感遥测等全套工作流程。预计2月开始进入飞行样机研制阶段,计划2022年上半年择机发射。

“之所以选择在2022年发射,跟太阳活动周期有关。”甘为群介绍,太阳黑子的数量和位置呈现出的周期性变化,就是太阳11年活动周期。2021年到2022年正处于第25个太阳活动周期的开始阶段,随着太阳周期的开始,太阳黑子越来越多,太阳磁场会越来越强,太阳的爆发就会增加,达到一个峰值。这个峰值可能在2024年到2026年之间。“我们计划2022年发射太阳探测卫星,预计它的工作时长为4年。这样就可以覆盖一个从开始到峰值的较为完整的太阳周期,从而获得尽可能多的观测样本。”

ASO-S上天后,将在距离地表720公里的轨道上工作。为何选择这个距离?甘为群告诉记者,科学研究是一个延续的过程,早在1993年他就开始介入太阳空间探测的研究。在ASO-S立项之前,他曾负责一个中法合作项目,当时就详细论证过,将卫星的轨道定在距地720公里。“硬X射线成像仪原则上要求轨道低一点,日冕仪又要求轨道高一点,当时我们就做过轨道优化设计,论证出720公里比较合适。这样的轨道设计还能够满足差不多一天24小时连续观测太阳。”

太阳研究与人类生活密切相关。太阳为我们带来了光明和温暖,同时也会对地球产生重大影响。一旦太阳“发威”,太阳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。对地球环境,尤其是与现代生活息息相关的电磁环境造成严重破坏。

ASO-S项目在研究“一磁两暴”自然规律的同时,也会及时预报太阳爆发对地球的影响。据计算,一旦发生日冕物质抛射等爆发活动,科学家可以至少提前40个小时得到信息,就像地球上的天气预报一样,及时预警,做出防护举措,以避免人类生存环境受到破坏。记者 蔡姝雯

供图:视觉中国

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责编:张静
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