“羲和”探日的背後，你瞭解多少？_風聞

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。