探日“先鋒官”“羲和”帶領中國步入自主探日時代

特約記者 黃 帆 周鑫月 劉 彥 /文

草木發芽，萬物生長，人類的生產生活離不開太陽。太陽是太陽系中最大的天體，距離地球約1.5 億公里（一個天文單位），是離地球最近、與人類關系最密切的恒星。

大約在46 億年前，太陽在距離銀河系中心約2.6 萬光年處，由星云在自身引力作用下坍塌凝聚而形成，太陽壽命大致為100 億年，目前正處于壯年期，它的直徑達139 萬公里，是地球的107 倍，質量達2000 億億億噸，是地球的33 萬倍，占整個太陽系總質量的99.87%。

從“夸父追日”到“兩小兒辯日”再到“羲和”探日，中華民族對太陽的好奇與探索從未停息。2021 年10 月14 日我國首顆太陽探測科學與技術試驗衛星“羲和號”成功發射，我國正式步入“探日”時代。

一年以來，國家航天局組織航天科技集團、南京大學等工程任務團隊，開展衛星平臺超高指向精度、超高穩定度技術試驗300 余次，太陽光譜成像1000 余次，圓滿完成了“羲和號”在軌測試和試驗工作，取得了重要成果，其中包含5 項國際首次成果：

·首次實現了對太陽Hα 波段的光譜掃描成像，記錄了太陽活動在光球層和色球層的響應過程；

·首次在軌獲取了太陽Hα 譜線、Si Ⅰ和Fe Ⅰ譜線，得到了完整的譜線輪廓；

·首次采用基于“動靜隔離、主從協同”模式的非接觸式磁浮衛星平臺，實現了超高指向精度、穩定精度衛星平臺技術在軌性能驗證及工程應用；

·首次實現了太陽空間Hα 譜線成像儀在軌應用，光譜分辨率優于0.0024nm；

·首次實現了在軌高精度原子鑒頻太陽測速導航儀在軌驗證,測速精度優于2m/s。

“羲和號”全日面Ha 波段光譜掃描成像

全日面色球多普勒速度場

國家航天局副局長吳艷華表示，“羲和號”作為中國航天“十三五”重點規劃的首顆太陽探測科學與技術試驗衛星，實現了國際首次太陽Ha 波段光譜成像的空間探測，極大提高了我國在太陽物理領域研究能力，對我國空間科學探測及衛星發展具有重要意義。

高分辨率成像 給太陽做個“CT”

太陽Hα 譜線是光子與氫原子相互作用后電子能級躍遷產生的譜線之一，是太陽爆發時響應最強的色球譜線，能夠直接反映爆發的源區特征。此前，只能在地球上進行探測，因受大氣干擾，探測數據不連續不穩定。

“羲和”號衛星搭載的主要科學載荷——Hα 成像光譜儀對其進行高分辨率成像（分辨率達0.0024納米），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，相當于給太陽低層大氣做了一次“CT”掃描。在每一張“CT”圖上，又反映了日面上近1600 萬個點的信息。

除太陽Hα 譜線外，“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”在國際上首次在空間直接觀測到了Si I 完整的譜線輪廓。

高分專項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。

“雙超”衛星平臺設計 拍照拒絕“手抖”

“羲和號”采用了超高指向精度、超高穩定度的“雙超”衛星平臺設計。在軌應用磁浮技術，采用“動靜隔離非接觸”總體設計新方法，將平臺艙與載荷艙物理隔離，阻斷平臺艙微振動對載荷工作的影響，衛星平臺的指向精度、姿態穩定度均提高了1-2 個數量級，達到了國際先進水平。

原子鑒頻 給衛星裝上導航儀

衛星在太空中飛行，如何準確獲取自身的位置和速度是首先要解決的問題。

行駛在地球上的汽車，可以通過導航系統實時掌握自己的位置。但衛星飄在天上，定位難度要比給車定位難的多，怎么個難法呢？

“羲和號”發射前 攝影/雷春鳴

與近地空間任務相比，月球以遠的深空探測任務由于沒有導航衛星的輔助，只能依靠傳統的無線電測距、測速導航方法。然而無線電導航會隨著衛星飛行距離的增加而大幅下降，難以及時準確地確定衛星在太空中的位置和速度。

太陽光到達在太空中運動的衛星時，會產生頻率變化，也就是通常說的多普勒頻移。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）。簡單來說就是“運動的物體把它前方的波形擠壓的更致密，后方拉伸的更稀疏”。頻移的大小與衛星相對太陽的視向速度成正比。因此，如果能測出太陽光的頻率變化，也就能知道衛星相對太陽的視向速度。

“羲和號”搭載的原子鑒頻太陽測速導航儀，是國際首次在軌采用原子鑒頻原理。經過在軌實測，導航儀的速度測量精度優于2米/秒。

該導航儀利用鈉原子自身的超精細光譜作為頻率標準，實時準確地確定太陽光的頻率變化，進而獲取衛星相對太陽的視向速度。為未來深空探測任務中的自主導航提供了一種新型的速度測量技術手段，夯實我國在深空探測領域的原創性技術積累，促進原子鑒頻及相關技術在航天領域的應用。

空間太陽探測意義何在

太陽對地球的影響無所不在，主要體現在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，其中尤以太陽黑子、耀斑和日冕物質拋射對地球電磁環境影響最為顯著。

強耀斑和日冕物質拋射等太陽活動干擾通信和導航、威脅航天員的健康，甚至毀壞航天器，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。

另外，通過對太陽的探測，人類可以深入了解天體磁場的起源和演化、高能粒子的加速和傳播等重要物理過程，對天體物理學研究具有重要意義。

“羲和”還有“小伙伴”

太陽活動周期約11 年，2021年至2022 年是人類有紀錄以來第25 個太陽活動周期的開始，全世界又進入太陽研究新的高峰期。

我國目前已經制定了 “羲和”、“先進天基太陽天文臺”兩個太陽探測計劃。這是太陽探測的中國方案和中國貢獻。

“羲和號”科學目標是在國際上首次開展空間太陽Hα 光譜成像探測，為建立太陽暴發能量傳輸模型提供有力支撐。“羲和號”去年10 月成功發射后，任務團隊開展了各種在軌試驗，已在軌穩定運行近一年。

“先進天基太陽天文臺”是中科院先導專項規劃的一顆太陽綜合觀測衛星，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，研究“一磁兩暴”的起源、相互作用及彼此關聯，為嚴重影響人類正常生活的空間災害性天氣預報提供支持，計劃今年10 月發射。