圖為“羲和號”效果圖。(中國航天科技集團八院供圖,制圖:蔡華偉)
日前,我國公布首顆太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗衛(wèi)星“羲和號”的科學(xué)探測和衛(wèi)星技術(shù)成果。從“羲和號”上“看”太陽,觀測到了什么?這些科學(xué)探測成果,對于人類認識太陽有哪些新貢獻?后續(xù)太陽探測活動,還將如何開展?
相當(dāng)于給太陽低層大氣做CT掃描
“羲和號”于2021年10月14日發(fā)射升空,運行于平均高度為517公里的太陽同步軌道。作為首位太陽專屬“攝影師”,“羲和號”的發(fā)射,意味著我國實現(xiàn)太陽空間探測“零的突破”。
“在科學(xué)探測方面,‘羲和號’發(fā)射后成功實現(xiàn)了兩個首次,即國際首次獲得空間太陽Hα(氫阿爾法)波段光譜掃描成像以及國際首次在軌獲取太陽Hα譜線、中性硅原子(Si Ⅰ)譜線和中性鐵原子(Fe Ⅰ)譜線的精細結(jié)構(gòu)?!眹腋叻直媛蕦Φ赜^測系統(tǒng)總設(shè)計師兼副總指揮、國家航天局對地觀測與數(shù)據(jù)中心主任趙堅介紹。
“羲和號”衛(wèi)星首席科學(xué)家、南京大學(xué)教授丁明德告訴記者,Hα譜線是太陽活動在太陽低層大氣中響應(yīng)最強的譜線。對這條譜線開展探測,就可以同時獲得光球?qū)雍蜕驅(qū)拥幕顒有畔?,大大提高了我們對太陽爆發(fā)物理機制的認知。
“以前對于Hα譜線的探測只能在地球上進行,受到大氣干擾,探測數(shù)據(jù)經(jīng)常不連續(xù)不穩(wěn)定?!壁w堅介紹,“羲和號”的主要科學(xué)載荷為太陽Hα成像光譜儀,通過光譜掃描成像,分辨率達到了0.0024納米,比地面濾光器的分辨率提高了約10倍,達到了國際先進水平。每張光譜掃描圖像實際上都包含了300多張照片,分別對應(yīng)了光球?qū)雍蜕驅(qū)硬煌叨忍幍奶枅D像,因此相當(dāng)于給太陽低層大氣做CT掃描。而每一張“CT圖”上,又反映了日面上近1600萬個點的信息。
除了太陽Hα譜線,“羲和號”還同時獲得了中性硅原子譜線和中性鐵原子譜線。尤其是中性硅原子譜線,以往在地面觀測時被地球大氣的水分子譜線掩蓋,“羲和號”在空間直接觀測到了中性硅原子完整的譜線輪廓,這是國際上的第一次。通過三條譜線的研究,結(jié)合“羲和號”獲得的全日面色球和光球的多普勒速度圖,可以反演計算出太陽大氣的溫度、密度、速度,從而幫助我們深入研究太陽的大氣結(jié)構(gòu),了解太陽爆發(fā)活動的觸發(fā)原因和傳播過程,更好地開展空間天氣預(yù)報,保障人類生命安全。
專家表示,“羲和號”衛(wèi)星在軌開展的相關(guān)試驗,是國際上第一次在太空進行Hα譜線研究,目前已經(jīng)獲得了2項太陽探測國際科學(xué)成果,顯著提高了我國在太陽物理領(lǐng)域的國際影響力。
非接觸式磁浮衛(wèi)星平臺讓拍照更準、更穩(wěn)
“羲和號”在新型衛(wèi)星技術(shù)試驗方面也實現(xiàn)了多個首次,如國際首次實現(xiàn)了主從協(xié)同非接觸“雙超”(超高指向精度、超高穩(wěn)定度)衛(wèi)星平臺技術(shù)在軌性能驗證及工程應(yīng)用;實現(xiàn)了國際首臺太陽空間Hα成像光譜儀在軌應(yīng)用;實現(xiàn)了國際首臺原子鑒頻太陽測速導(dǎo)航儀在軌驗證等。
“羲和號”衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮、中國航天科技集團八院科技委常委陳建新表示,要在相距太陽1.5億公里遠的地球附近對太陽“明察秋毫”,就對相機的指向精度和穩(wěn)定度提出了更高的要求。“羲和號”衛(wèi)星在國際首次采用基于“動靜隔離、主從協(xié)同”理念的非接觸式磁浮衛(wèi)星平臺,就像給相機裝上了高精尖的“云臺”,讓相機對得準、拍得穩(wěn)。
“在太空中,衛(wèi)星載荷哪怕一次微小震動,都會讓成像效果差之毫厘、謬以千里?!标惤ㄐ陆榻B,“雙超”衛(wèi)星平臺采用磁浮控制技術(shù),將平臺與載荷的物理接觸徹底隔絕,確保載荷成像不受平臺擾動的影響,將我國衛(wèi)星平臺的姿態(tài)控制水平提升了1至2個數(shù)量級,達到了國際先進水平。
此外,“羲和號”還在軌驗證了艙間無線能源傳輸、激光通信、無線通信等多項衛(wèi)星平臺新技術(shù)。
趙堅表示,隨著我國航天產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,對地觀測、空間科學(xué)探測等各類航天任務(wù)對高性能衛(wèi)星平臺的需求越來越迫切,尤其亟須發(fā)展具有超高指向精度、超高穩(wěn)定度指標的衛(wèi)星平臺?!啊撕吞枴咝阅芗夹g(shù)衛(wèi)星平臺在軌試驗,是世界上首次將磁浮技術(shù)在航天器上進行工程應(yīng)用,大幅提升了我國空間觀測技術(shù)水平?!?/p>
據(jù)介紹,未來“雙超”平臺技術(shù)將在高分辨率遙感、太陽立體探測、系外行星發(fā)現(xiàn)等新一代航天任務(wù)中得到推廣應(yīng)用,推動我國空間技術(shù)的跨越式發(fā)展。
觀測到近百個太陽爆發(fā)活動,數(shù)據(jù)向全球開放共享
目前,“羲和號”每天都在按照既定計劃開展科學(xué)觀測,已經(jīng)觀測到了近百個太陽爆發(fā)活動,相關(guān)研究工作正在開展。
趙堅介紹,我國在太陽觀測領(lǐng)域發(fā)表論文數(shù)量已居世界第二位,但之前使用的數(shù)據(jù)均來自國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)?!棒撕吞枴卑l(fā)射成功后,國家航天局牽頭成立了衛(wèi)星數(shù)據(jù)科學(xué)委員會,制定了數(shù)據(jù)政策,供國內(nèi)外科學(xué)家研究、使用、共享衛(wèi)星探測數(shù)據(jù),力爭產(chǎn)生更多的原創(chuàng)性科學(xué)成果,為人類科學(xué)事業(yè)作出中國貢獻。目前,“羲和號”的科學(xué)數(shù)據(jù)已向全球開放共享。
“太陽爆發(fā)產(chǎn)生大量帶電高能粒子,對地球電磁環(huán)境造成嚴重破壞,其中尤以耀斑和日冕物質(zhì)拋射對地球電磁環(huán)境影響最為顯著。這些太陽活動干擾通信和導(dǎo)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(xué)意義,更具有巨大的應(yīng)用價值?!壁w堅表示,太陽活動周期約11年,當(dāng)前正處于第二十五個太陽活動周期,全世界又進入太陽研究新的高峰期。我國作為航天大國,及時開展太陽探測活動十分必要。
自20世紀60年代以來,全世界已發(fā)射了70多顆太陽觀測衛(wèi)星,聚焦于太陽黑子、耀斑和日冕物質(zhì)拋射的觀測研究。未來5年,國外至少將發(fā)射5顆太陽探測衛(wèi)星。
據(jù)介紹,今年我國還將發(fā)射先進天基太陽天文臺衛(wèi)星,以“一磁兩暴”為科學(xué)目標,對太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射和全日面矢量磁場開展觀測,為預(yù)報嚴重影響人類正常生活的空間災(zāi)害性天氣提供支持。
此外,我國正在論證后續(xù)太陽探測發(fā)展計劃,科學(xué)家們希望按照在黃道面內(nèi)多視角探測、大傾角太陽極區(qū)探測和太陽抵近觀測“三步走”實施,由易到難,逐步深入,進一步了解太陽的構(gòu)造,確定太陽活動的三維結(jié)構(gòu),掌握機理和活動規(guī)律,為人類科學(xué)事業(yè)的發(fā)展貢獻中國力量。(記者馮華)
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