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這就是中國優勢 | 科技優勢(六)羲和逐日:國際首次在軌獲得太陽Hα譜線

華夏經緯網 > 新聞 > 熱點聚焦      2022-07-19 10:55:12

這就是中國優勢科技優勢

【導語】“可上九天攬月,可下五洋捉鱉,談笑凱歌還。”這是一種豪情與詩意,也是當今中國正創造的奇跡。中國人對未知的好奇、對探索的渴望、對困境的思考以及對美好未來的期待,推開了一扇扇嶄新世界的大門:空間探測、生物醫藥、人工智慧、量子科學……中國科技創新的步伐從未停止。正如習近平總書記所説,一切偉大成就都是持續奮鬥的結果,一切偉大事業都需要在繼往開來中推進。新時代必將是大有可為的時代。


太陽讓地球萬物得以生長,也影響著人類的生存和未來。2021年至2022年是人類有記錄以來第25個太陽活動週期的開始,全世界又進入太陽研究新的高峰期。伴隨著第一顆太陽探測科學技術試驗衛星“羲和號”成功發射,中國由此正式開始了空間探日時代。

2021年10月14日18時51分,搭載著中國首顆太陽探測科學技術試驗衛星“羲和號”的長征二號丁火箭在太原衛星發射中心成功發射。(圖源:人民日報)

2021年10月14日18時51分,搭載著中國首顆太陽探測科學技術試驗衛星“羲和號”的長征二號丁火箭在太原衛星發射中心成功發射。(圖源:人民日報)


中國首顆探日衛星上天了

人類觀測太陽的活動具有漫長的歷史,但是長期以來都是在地球上對太陽展開觀測研究,直到上個世紀中葉人類才走向天基探測太陽的步伐。從世界範圍來看,自上世紀60年代以來,全世界已發射了70多顆太陽觀測衛星,聚焦于太陽黑子、耀斑和日冕物質拋射的觀測研究。

為何要去探測遙遠的太陽?除了眾所週知的光照外,太陽的異常活動同樣會衝擊現代生活。太陽距離地球平均達1.5億公里,一旦太陽發生異常活動,耀斑和日冕物質拋射産生的磁雲會裹挾著大量帶電高能粒子,直奔地球而來,與現代生活息息相關的電磁環境將受到嚴重破壞,因此持續地對太陽活動進行監測是非常有必要。

例如2003年萬聖節期間就有類似事件發生,不僅多顆科學衛星遭受不同程度損害,全球衛星通信受到干擾,GPS定位也大受影響,從太空到地面,各種需要即時通信和定位的交通系統都不同程度癱瘓。這次太陽風暴事件被稱為“萬聖節風暴”。因此持續地對太陽活動進行監測是非常有必要的。

2003年“萬聖節風暴”期間,美國得克薩斯拍攝到的景象。(圖源:NASA)

2003年“萬聖節風暴”期間,美國得克薩斯拍攝到的景象。(圖源:NASA)

中國第一顆太陽觀測衛星定名為“羲和號”,取名靈感自中國上古神話中的太陽女神與制定時歷的女神羲和,取義“傚法羲和馭天馬,志在長空牧群星”,象徵中國對太陽探索的緣起與開拓。

“羲和號”從2019年6月正式立項,到2021年10月發射升空,僅僅用了兩年就完成了研製攻關。衛星在軌運作期間,將觀測太陽耀斑和日冕物質拋射的光球及色球表現,探究太陽爆發的源區動態特性和觸發機制,同時探測太陽暗條形成和演化過程的色球表現,揭示其與太陽爆發的內在聯繫,還將獲取全日面Hα波段多普勒速度分佈,研究太陽低層大氣動力學過程,為解決“太陽爆發由裏及表能量傳輸全過程物理模型”等科學問題提供重要支撐。

作為中國派去觀測太陽的第一位使者,“羲和號”一齣手就不凡,在國際上首次實現太陽Hα波段光譜成像的空間探測,填補了太陽爆發源區高品質觀測數據的空白,提高中國在太陽物理領域研究能力,對中國空間科學探測及衛星技術發展都具有重要意義。


羲和號開創了多個首次

“羲和號”全稱為太陽Hα光譜探測與雙超平臺科學技術試驗衛星,主要科學載荷為太陽空間望遠鏡。據了解,“羲和號”整星重量約508公斤,設計壽命3年,運作于517公里高度、傾角98度的太陽同步軌道,該軌道將經過地球的南北極,能夠24小時連續對太陽進行觀測。有人形象地把“羲和號”比喻成像是地球的一隻眼睛,時刻觀測著太陽的一舉一動。從科學觀測到技術試驗,“羲和號”開創了許多國際首次。

中國首顆太陽探測科學技術試驗衛星“羲和號”(圖源:國家航太總局)

中國首顆太陽探測科學技術試驗衛星“羲和號”(圖源:國家航太總局)

國際首次在太空進行Hα譜線研究

“羲和號”主要科學載荷是Hα成像光譜儀,Hα是研究太陽活動在光球和色球響應時最好的譜線之一,通過對該譜線的數據分析,可獲得太陽爆發時的大氣溫度、速度等物理量的變化,有助於研究太陽爆發的動力學過程和物理機制。

“羲和號”通過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。通過一次掃描(時間小于60秒),可以獲得日面上近1600萬個點的光譜資訊,在300余個波長點上同時獲得色球和光球的二維圖像,這是前所未有的觀測。

值得注意的是,中國在太陽觀測領域發表論文數量已居世界第二位,但是使用的數據均來自於國外衛星數據。“羲和號”發射成功,打破中國在此領域的被動局面。

“羲和號”衛星模擬圖(圖源:國家航太局)

“羲和號”衛星模擬圖(圖源:國家航太局)

國際首創雙超新技術衛星平臺

“羲和號”採用了國際首創的超高指向精度、超高穩定度的“雙超”衛星平臺。它實現了平臺艙和載荷艙“動靜隔離非接觸”總體設計,不僅阻斷了平臺艙微振動的傳遞路徑,同時解決了平臺艙熱變形對載荷艙的影響。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。

同時,“羲和號”衛星還將在軌驗證無線能源傳輸、艙間無線通信、艙間鐳射通信、原子鑒頻太陽導航儀等多項新技術和新産品。“羲和號”高性能技術衛星平臺在軌試驗成功後,是世界上首次將磁懸浮技術在航太器上進行工程應用,將大幅提升中國空間觀測技術水準。


羲和號帶回不少新消息

“羲和號”探日示意圖(圖源:國家航太局)

“羲和號”探日示意圖(圖源:國家航太局)

據國家航太局介紹,“羲和號”衛星經過三個多月的在軌測試和實驗,已經完成衛星平臺技術驗證40多次,對太陽進行探測成像290多次,衛星的平臺及有關載荷工作穩定正常,功能和性能滿足研製總要求。目前,該衛星已經取得了一系列技術和科學實驗成果。

一是在軌驗證了新型高精度衛星平臺的超高指向精度和超高穩定度技術,與傳統的同等慣量衛星平臺相比,這顆衛星的指向精度和穩定精度均提高了兩個數量級。

二是在太陽科學探測方面,該衛星在軌獲得了太陽Hα譜線,全日面的Hα波段的光譜圖像,屬國際首次。太陽的Hα譜線是光子與氫原子相互作用後,電子能級躍遷産生的譜線,是太陽暴發時響應最強烈的一個譜線,能夠直接反映暴發的特徵。

以前,人類對太陽的觀測,Hα譜線只能在地球上進行探測,但因為受到大氣擾動,這個數據是不連續、不穩定的。現在通過衛星在軌進行探測,就可以去掉這些不穩定因素,對太陽進行高解析度的觀測和成像,可以更加準確地獲得太陽暴發時大氣溫度、速度等物理量的變化,進而建立起太陽暴發從光球到日冕的能量積累、釋放、傳輸的完整物理模型,對研究太陽暴發的動力學過程及物理機理提供關鍵數據,有望獲得有國際影響力的科學産出。


“羲和”之後還有“夸父”

中國目前已經制定了兩個太陽探測計劃:“羲和”和“夸父”。“羲和號”實現了中國太陽探測破冰之旅,而“夸父”計劃是研製發射先進天基太陽天文臺衛星,對太陽進行科學觀測,已納入中國科學院先導計劃。

先進天基太陽天文臺衛星效果圖(圖源:中國科學院紫金山天文臺)

先進天基太陽天文臺衛星效果圖(圖源:中國科學院紫金山天文臺)

據中國科學院消息,今年下半年,中國首顆綜合性太陽探測衛星——先進天基太陽天文臺(ASO-S)將於10月在酒泉衛星發射中心擇機發射。它將用於研究太陽的“一磁兩暴”,“一磁”指的是太陽磁場,大部分的太陽活動都直接受到太陽磁場的支配,而“兩暴”指的是太陽上兩類最劇烈的爆發現象,即太陽耀斑和日冕物質拋射。

ASO-S將利用太陽活動第25周峰年的契機,對耀斑、日冕物質拋射和全日面向量磁場開展同時觀測,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援。

當前中國的有關近距離探測太陽的計劃已經在行動之中,國內有多個科研團隊都在從事相應的研究,其中克服接近太陽時的高溫高熱材料研發和工程保障是其中的重中之重。在不遠的將來,中國近距離探測太陽的裝置也將會踏上征途。

太陽還有很多未知等著人類發現,中國人探索太空的腳步也不會停息。從嫦娥探月到天問探火,再到羲和探日,中國航太不斷創造新的歷史。心懷山海,眼有星辰,永葆初心,中國航太人必將一次次把祖國的榮耀寫上太空!


(資料來源:人民日報、科技日報、央視新聞、環球時報、北京科技報、中國青年報)


責任編輯:姚思寒
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