“羲和”探日的背後,你瞭解多少?_風聞
剑啸易水寒-深知身在情长在,前尘不共彩云飞。2021-11-01 21:32
來源:微信號“中國的航天”
“羲和號”作為中國首顆太陽探測衞星
於2021年10月14日成功發射升空
並順利進入平均高度517公里的
太陽同步軌道
這標誌着中國正式進入空間探日時代

今天
我們就來聊一聊
這顆劃時代的科學技術試驗衞星
做什麼?怎麼做?
以及一些相關的科技巧思
“羲和號”的正式全稱是“太陽Hα光譜探測與雙超平台科學技術試驗衞星”。它通過分析光譜的方法,研究和太陽爆發相關的科學問題。

——跑個題,“太陽爆發”不是太陽變成紅巨星的世界末日,更不是超新星式的“太陽爆炸”(我們的太陽沒有那個貴命),而是體現在太陽大氣層的黑子、耀斑、日珥、日冕物質拋射等表層活動。這些太陽活動,大家在一生中都經歷過幾十回乃至幾百回,不要恐慌。

日冕物質拋射從太陽噴發
比如剛剛過去的10月28日,太陽朝向地球一側爆發了一次X1級耀斑,在太陽大氣層中產生了一次等離子體“井噴”。此次耀斑爆發還造成了一次日冕物質拋射,直衝地球而來,並於11月1日抵達地球,為世界各個高磁緯地區帶來極光。
回到正題上來,“羲和號”通過分析太陽的Hα波段附近的光譜,來研究太陽爆發時的大氣動力學過程和物理機制。
Hα指的是氫(H)的最引人注目的(α)那條譜線,它的波長是656.281nm,是顏色深紅的可見光。Hα標誌着氫原子電子從第三能級到第二能級的躍遷。還不太瞭解能級躍遷的讀者不需要對此感到頭痛,只要知道Hα指的是氫等離子體的大量存在就可以了。
如果只是一條幹淨利落的656.281nm譜線,那就是生活單調乏味的氫,也沒什麼可研究的。而在活躍的太陽表面,由於太陽大氣的高速運動,這條譜線就會發生變化。
如何變化呢?老朋友“多普勒效應”此時就要登場了。我們走在路上,有時會遇到救護車拉着警笛飛馳而過。當它擦身而過時,我們會留意到它的警笛聲忽然降調了,原本唱的“so-mi-so-mi”,忽然變成了“mi-do-mi-do”,這就是多普勒效應——當波源運動時,在其運動方向接收到的波長會變短(頻率會升高),在背向其運動方向上,接收到的波長會變長(頻率會降低)。
為了形象速記,我們也可以説,“多普勒效應”就是“運動的物體把它前方的波形擠壓得更緻密,後方拉伸得更稀疏”。

由太陽動力學天文台在131埃光下拍攝
該圖像突出顯示了1200萬開爾文的材料
光也是一種波,所以光也會有多普勒效應。那麼,為何救護車的音調變化很容易感知,而我們對着紅燈衝過去時,卻不能把低頻的紅燈看成高頻的綠燈呢?因為聲音是一種低速波,和車速量級相差不多,救護車隨便跑跑,就能造成人耳可察的頻率變化。而光的速度極高,它的波形就不能輕易“擠壓”到人眼可辨了。
但是,放到太陽活動這麼劇烈的事件中,再加上專業設備,有些事就不那麼難了。太陽活動造成的大氣起伏能夠被“羲和號”攜帶的光譜分析儀器偵測到。當氫等離子體從太陽表面升起時,它朝向地球撲來,多普勒效應會使光譜升頻。如果“羲和號”瞄着這個位置看的話,就會看到Hα譜線右移,比如,跑到了656.30nm。用這個頻率差,就可以推算出這一坨物質噴發的速率。反之亦然,可以通過譜線的左移量推知物質的沉降速率。

“羲和號”的科學儀器由南京大學負責建設。南京大學説,“羲和號”可以察覺0.0025nm的波長變化。在Hα波段折算一下就是:如果氫等離子體在太陽表面升降的速率大於1.14km/s,它造成的譜線移動就可以被察覺。
當然,太陽是個球體(各位置朝向地球的速度分量有差異),在不停地自轉(太陽球面左側在不停奔向地球,右側在不斷遠離地球),並且不同緯度的自轉速度還不一樣。這些因素都會在最終的運算過程中考慮進去,以免得到荒謬的結果。
為了得到黑子或耀斑的細節數據,“羲和號”可以盯着日面上一個極小的區域看。視野越小,對防震防抖的要求越高。為了讓科學儀器可以靜下心來工作,“羲和號”使用了磁浮技術,讓驅動平台和科學儀器在工作時暫時物理分離。這樣,驅動平台裏的機械設備工作時,就不會抖到正在專心看太陽的科學儀器模塊了。這也是“羲和號”全名中“雙超”的由來:超高指向精度、超高穩定度。

“羲和號”運行在距地517km的太陽同步軌道上。這個軌道穿越南北極,位於晨昏線附近的上空,始終能夠看到太陽。為了確保它不會因地球公轉而被地球遮蔽,這個軌道以每年逆時針360°(北半球視角)的速度緩緩進動。
“羲和號”選在2021年升空,也是個很好的時機。拋開項目進度的客觀事實不談,這個時間很配合太陽活動週期。假如它在2018年上天,工作3年,這期間正是兩個太陽週期之間的低谷,太陽波平如鏡,就不好看了。現在它上去,正趕上太陽活動的爬坡期(預計2025年能到高峯),會收穫許多成果。
“羲和號”是中國空間探日計劃的先鋒官,它填補了太陽爆發源區高質量觀測數據的空白,提高了恆星物理研究能力,對空間科學探測及衞星技術發展具有重要意義。