從太空“看”太陽

2021年10月14日，由國家航天局批覆立項的我國第一顆太陽探測科學技術試驗衞星“羲和號”在太原衞星發射中心順利升空，拉開了我國太陽空間探測的序幕。“羲和號”的全名為太陽Hα光譜探測與雙超平台科學技術試驗衞星，簡稱太陽雙超衞星。

太陽觀測研究，認識與人類關係最密切的恆星

太陽是我們瞭解宇宙的一個窗口。這顆銀河系中極其普通的恆星，是人類目前唯一可進行高時空分辨率和高光譜分辨率觀測的恆星。它距地球約1.5億公里，直徑約139萬公里，質量是地球的33萬倍。通過觀測和研究太陽，我們可以瞭解一些基本的天體物理過程，比如磁場的產生和演化、粒子的加速和傳播、天體爆發的物理機制等。

太陽也是宇宙中與人類關係最密切、對人類社會生活影響最大的一顆恆星。俗話説，萬物生長靠太陽。太陽在地球演化和人類文明發展過程中發揮着不可替代的作用。作為距離我們最近的恆星，太陽在超過45億年的時間裏，孕育了地球上的天氣、氣候以及我們所依賴的生態環境。它的能量來源於自身時刻發生的氫、氦核聚變。大眾熟知的光合作用，就離不開太陽的光能。太陽對人類的影響特別表現在時有發生的耀斑和日冕物質拋射現象上。耀斑是太陽局部突然增亮的爆發活動。一箇中等強度的耀斑，可發射出從伽馬射線到無線電波段的強大輻射，總能量相當於約10億—100億個原子彈爆炸。日冕物質拋射則是太陽上大規模物質爆發的現象，一次爆發能把約1億—10億噸物質拋射到行星際空間。這兩種現象是空間災害性天氣的源頭，影響空間飛行器安全甚至地球上的人類生活。因此，對太陽的觀測研究同時具有重要科學意義和實際應用價值。

從肉眼到望遠鏡再到空間探測器，太陽觀測手段不斷進步

人類對太陽的觀測由來已久，廣義的觀測最早可以追溯到上古時代。我國早在漢成帝河平元年（公元前28年）就有了肉眼觀測太陽黑子的記錄。對太陽進行系統觀測則始於1610年，即伽利略發明天文望遠鏡後的第二年，人類開始用望遠鏡觀測和記錄太陽黑子，開啓了太陽科學觀測的時代。經過400多年的發展，尤其自上世紀50年代末進入太空時代以來，通過地基太陽望遠鏡和天基太陽探測器的聯合觀測，人類對太陽有了全新認識。我們瞭解到，太陽的內部結構可分為核心區、輻射層和對流層，太陽的大氣層次可分為光球層、色球層、過渡區和日冕層。我們也在一定程度上理解了太陽活動的週期性、產生太陽磁場的發電機理論、太陽磁場和太陽爆發的內在聯繫等。

以“羲和號”為代表的太陽探測衞星，是太陽空間探測的“千里眼”。上世紀60年代以來，國際上已陸續發射70餘顆太陽專用或相關衞星。近代太陽物理的許多開拓性成果都來自於這些衞星的觀測，例如太陽爆發和磁重聯過程、日冕結構和加熱問題、太陽風的起源和傳播等。我國太陽空間探測有一定成果，如神舟二號空間天文分系統取得太陽X射線和伽馬射線流量數據，氣象衞星風雲三號E星取得在極紫外和X射線波段的成像等。但在“羲和號”之前，我們還未通過太陽專用衞星獲得過觀測數據。“羲和號”打破了我國無太陽探測專用衞星的歷史，邁出了我國太陽空間探測的重要一步。

“羲和號”衞星，給太陽做CT掃描

顧名思義，太陽空間探測就是通過衞星等航天器在太空中觀測太陽。“羲和號”的全名“太陽Hα光譜探測與雙超平台科學技術試驗衞星”也道出它的兩方面任務：科學觀測和技術試驗。

“羲和號”的研究目標是太陽低層大氣，即光球層和色球層的動力學過程，以及太陽爆發活動的物理機制。太陽的光球層是我們肉眼可見的部分，在光球層上面大約2000公里的範圍內，則是太陽的色球層。“羲和號”通過其主要科學載荷Hα成像光譜儀，專門觀測光球層和色球層，在國際上首次實現了全日面Hα波段的光譜成像。Hα是氫原子的一條人眼可見的、紅色的譜線。對於太陽物理研究而言，Hα譜線十分重要。它的線心反映了色球層的信息，線翼反映了光球層的信息。如果提高儀器光譜分辨率，將這條譜線細分，可以獲得光球層和色球層不同高度處的太陽圖像，相當於給太陽大氣做了一次CT掃描。

Hα波段的光譜成像，是“羲和號”實現研究目標的“金鑰匙”。通過一次掃描（時間小於60秒），可以獲得日面上近1600萬個點的光譜信息，這是前所未有的觀測。另外，“羲和號”是在太空“看”太陽，不受地球大氣擾動、天氣影響，避免了以往地面觀測的侷限性。目前，“羲和號”正處於在軌測試階段，從得到的初步觀測數據來看，數據質量達到了預期指標。未來，“羲和號”的觀測數據在經過科學標定後將對全世界科學用户開放，在國際太陽物理和空間物理研究中貢獻中國力量。

在技術試驗方面，“羲和號”將自身衞星平台的控制精度提高兩個數量級，即“雙超”（超高指向精度、超高穩定度平台）。它實現了平台艙和載荷艙“動靜隔離非接觸”總體設計，不僅阻斷了平台艙微振動的傳遞路徑，同時解決了平台艙熱變形對載荷艙的影響。Hα成像光譜儀不再需要導行系統和穩像系統，大大降低了載荷的研製難度和成本。如果説“羲和號”是一位拍攝太陽的攝影師，那麼“雙超”將讓他在舉起相機時，瞄得快、對得準、拍得穩。未來，這種新型的衞星平台還可以廣泛應用於其他高精度的空間天文探測中。

各顯神通，太陽空間探測進入新階段

當前，太陽空間探測已進入新階段。高時空分辨率、高光譜分辨率、多波段、多視角探測等多種技術、多種方式各顯神通。例如2018年8月發射的帕克太陽探測器可以到達距太陽約600萬公里處，直接測量日冕等離子體參數，研究太陽風的起源和加速、太陽高能粒子的加速和傳播、日冕加熱等科學問題。2020年2月發射的太陽軌道探測器，最近可到達距太陽約4200萬公里的地方，可以在一定程度上觀測太陽的極區，研究諸如極區磁場和日震學等科學問題。

在國際太陽探測的熱潮中，我國的相關科研工作也將更上一層樓。目前，我國的太陽物理學界與相關工程部門已聯合提出日地L5點太陽探測工程、環日探測計劃、太陽極軌探測計劃、太陽抵近探測計劃等。這些工程和計劃均屬太陽空間立體探測，即從不同方向觀測太陽。要想解決諸如太陽磁場的產生和演化及其與太陽活動的關係、太陽爆發的物理機制及其對空間天氣的影響這類重大科學和應用問題，空間立體探測必不可少。

以日地L5點太陽探測工程為例。該工程計劃可以長期穩定地觀測太陽及行星際空間環境。日地L5點與太陽和地球的連線呈等邊三角形，衞星可以提前4到5天觀測到即將面向地球的活動區，也可以監測太陽爆發向地球傳播的整個過程。這將幫助我們探索太陽磁場的起源和演化、揭示太陽活動的三維結構和物理機制、監測太陽爆發的行星際傳播和對地響應。

從夸父逐日到羲和探日，中華民族對太陽的求知探索從未停歇。中國太陽物理科研工作者和航天工作者，將以更加堅定的信念、更為嚴謹的態度，繼續揚帆星辰大海。

（作者為中國科學院院士、“羲和號”科學總顧問）

製圖：趙偲汝

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《上下百億年：太陽的故事》：盧昌海著；清華大學出版社出版。

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