揭秘“​羲和号”卫星：太阳Hα光谱探测为何重要？“探日”时代如何三步走？

日前，中国首颗太阳探测试验卫星“羲和号” 成功发射，标志着 中国正式步入“探日”时代。我们为何要去探测太阳？需要克服哪些技术难点？

采访专家：

方 成（“羲和号”卫星首席科学家、中国科学院院士）

焦维新（北京大学地球与空间科学学院教授）

郭 洋（南京大学天文与空间科学学院副教授）

10月14日18时51分， 太原卫星发射中心，这是中国太空探索一个新的见证历史的时刻，搭载着我国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”的长征二号丁运载火箭成功发射，我国正式步入空间探日的新时代。

▲10月14日，我国在太原卫星发射中心成功发射首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”

长期以来，中国的科研力量主要都是在地球的地面上对太阳展开观测研究，“羲和号”作为中国自主发射的首颗太阳探测卫星，为中国的太阳探测打开了全新的一页。

“羲和号”成为探测太阳的探路先锋

中国本次发射的“羲和号”备受瞩目，这与羲和这个名字也有很大的关系。羲和是中国上古传说中的人物，但来历有不同的版本，有人说羲和是神话传说中的太阳神，也有人说它是“羲氏”与“和氏”的并称（传说在上古时期，尧帝曾经命羲仲、羲叔、和仲、和叔两对兄弟分散驻扎在四方，夜观天象，编纂历法）。在对太阳探测卫星的征名活动中，曦和打败了夸父等一系列选项中的名字最终脱颖而出。

▲艺术家创作的中国神话传说的太阳女神羲和驾着六条龙

“羲和号”全称太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星，是我国首颗太阳探测科学技术试验卫星，它的个头并不大，只是一个重508公斤的轻量级选手。但是“羲和号”的发射对中国太阳探测研究意义十分重大，作为我国探测太阳的探路先锋，“羲和号”开展的相关一些探测技术具有实验性质，可以为后续的探测研究提供重要参考信息和数据，以便后续的调整和升级。 其次，作为拥有双超平台（超高指向精度+超高稳定度平台）且主要科学载荷为Hα成像光谱仪的探测器，羲和号还肩负着通过Hα波段给太阳拍“X光片”的重任。

▲整装待发的“羲和号”科学技术试验卫星

据了解，此前国际上对太阳的探测主要是通过紫外线或X射线，探测对象为太阳的高层大气，而可见光等波段观测主要基于地面望远镜。“羲和号”卫星首席科学家、中国科学院院士方成在接受记者采访时表示，这是国际首次太阳Hα波段光谱成像的空间探测，这个探测范围以前国内国际都还没有做过，这将填补太阳爆发源区高质量观测数据的空白，并且双超平台的使用使其观测精度和稳定性要比以往的探测器高一到二个量级，这能够提高我国在太阳物理领域的研究能力，对我国空间科学探测及卫星技术发展具有重要意义。

尽管此前中国发射到太空的卫星也搭载过一些太阳观测的设备和仪器，但都是配角的角色，能够取得的科研成果也比较有限，“羲和号”作为我国首个天基太阳探测器，被寄予了更多的期待。

“如果我们这次的一些创新成功了，未来就可以大规模地应用到我国的空间观测领域。”方成表示。

为何要从太空来探测太阳？

太阳目前正处于壮年期(寿命约100亿年)，是一颗时时刻刻发生氢、氦核聚变、发光发热的巨大恒星，为我们蓝色地球带来了光明与能量，是地球万物生长的源泉。北京大学地球与空间科学学院教授焦维新在接受记者采访时表示，太阳对地球演化和人类文明发展的作用是不可或缺的，万物的生长都不能离开太阳，同时太阳对地球的影响也是无所不在。

焦维新告诉记者，在农耕时代，太阳对人类生产和生活的破坏性影响并不显著，但是进入现代文明以后，太阳的影响开始变得越来越大，主要体现在太阳爆发产生大量带电高能粒子，对地球电磁环境造成严重破坏，其中尤以太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射对地球电磁环境影响最为显著。

▲太阳黑子大爆发

方成表示，现在出现的一些灾害性天气都是由于太阳的爆发所引起的，另外空间灾害性天气来了以后，它会影响卫星的顺利运行，影响导航系统和通信，以及地面的电力系统、石油管道等等，影响范围十分广泛。往往太阳活动轻微的爆发，就会给人类社会造成非常大的损坏。因此，人类需要花大力气探测太阳的活动，从而做到防患于未然。

尽管人类观测太阳的活动具有漫长的历史，但是长期以来，我们一直都是在地球上进行太阳活动的观测，直到上个世纪中叶人类才走向天基探测太阳的步伐。1960年3月，美国成功发射“先驱者5号”，用于探测地球与金星行星磁场，“先驱者5号”同时记录了太阳风、太阳粒子活动的相关数据，开启了太阳探索的卫星时代。其后，美国又先后发射16颗卫星进行太阳活动的相关探索，包括“太阳神号”“尤利西斯号”等等。此外，其他一些欧美国家以及日本也相继发射太阳探测器，并在太阳空间探测方面取得了丰硕的成果。但是因为多方面的影响和制约，长期以来中国并没有发射独立的太阳探测器，主要还是在地面探测太阳的活动。

（制图/秦童）

焦维新表示，在地面观察太阳的活动，地面上的可见光波段观测会受到地球大气吸收、扰动等因素的影响，观测分辨率很低，天气的变化也导致太阳观测无法全天候地进行，因此很多观察效果和成果要受到很大的限制。然而在太空中近乎真空的环境，就可以全天候持续不断地对太阳的活动进行观测，这是天基探测器的巨大优势。

因此，“羲和号”开启了中国天基观测太阳的新时代。据了解，“羲和号”设计寿命3年，运行于517千米高度、倾角98度的太阳同步轨道，该轨道将经过地球的南北极，能够24小时连续地对太阳进行观测。它的一些观测优势，是地面观测基地无法比拟的。

太阳Hα光谱探测为何重要？

太阳Hα波段的光谱探测为何非常重要？许多非专业人士可能不太明白。为了便于理解，可以先来了解一下氢（H）原子光谱，该光谱指的是氢原子内的电子在不同能级跃迁时所发射或吸收不同波长、能量之光子而得到的光谱。其中，太阳Hα是广泛用来观测耀斑及暗条等众多太阳活动现象的一条重要谱线。

▲Hα波段下的全日面像（摄影：Alan Friedman）

南京大学天文与空间科学学院副教授郭洋告诉记者，Hα波段的波长位于可见光的红光范围内，是氢原子在接收能量时，其中的电子发生电离跃迁的产物。太阳Hα光谱仪是观测太阳Hα光谱的仪器，放置于“羲和号”的载荷舱。研究人员通过Hα光谱图，可以观察太阳光球层及色球层的特征，追踪分析日珥的活动，收集太阳耀斑爆发时的各种物理数据，从而为我国探日工程的推进打下基础。

本次中国发射的“羲和号”也恰逢其时。太阳活动周期约11年，2021年至2022年是人类有记录以来第25个太阳活动周期的开始，全世界又进入太阳研究新的高峰期，这也给“羲和号”大显身手提供了很好的机遇。

方成院士数十年来一直在从事太阳物理的研究，曾经主持设计和研制了我国第一座太阳塔，创建了太阳塔实验室，在太阳耀斑、日珥、黑子等领域的研究都取得了丰硕的成果。他告诉记者，从2016年开始，他和研究团队就开始着手太阳Hα波段探测项目，在经过很多讨论和研究以后，2019年该项目正式立项，将卫星的研制变成了现实。

“做这个项目的时候我们就要明确我们瞄准的是什么目标，要完成什么样的指标，怎样做才能让本项目的探测达到世界先进水平或者是领先水平。”方成表示。

据悉，方成所在的南京大学天文与空间科学学院研究团队共有十多位研究人员参与了本项目的研究，此次使用Hα波段开展卫星探测，通过对Hα光谱的数据分析，研究团队可获得太阳爆发时大气温度、速度等物理量的变化，这将有助于研究太阳爆发的动力学过程及物理机制，为解决“太阳爆发由里及表能量传输全过程物理模型”等科学问题提供一些重要支撑。

方成和他的研究团队也希望中国的首次天基太阳探测活动旗开得胜，好为后续的研究和探测打下坚实的基础，也能够在客观上推动我国太阳探测工程进入快车道。

天地协同体系共揭太阳神秘面纱

未来几年，“羲和号”将与我国即将发射的天基太阳天文台卫星（预计2022年发射），以及世界上最大轴对称太阳望远镜（在建）等地面观测设施，构建天地协同体系，揭开太阳的神秘面纱。

郭洋表示，“羲和号”卫星的发射只是我国太阳探测新阶段的第一步，接下来我国将进一步推进对太阳的深空探测，未来我国将向太阳发射更多卫星，对太阳进行全方位立体性观测。

▲太阳耀斑

中国目前已经制定了两个太阳探测计划，分别是“夸父”和“羲和”探测计划。其中，“夸父计划”是2010年中国开始正式批准立项的第一个太阳检测卫星计划，“夸父计划”由三颗卫星组成，其中A星设置在距地球150万千米的日地连线上，用来全天候监测太阳活动的发生及其伴生现象，另两颗卫星B1和B2在地球极轨大椭圆轨道上飞行，用来监测太阳活动导致的地球近地空间环境的变化。该计划发布时引起了巨大关注，吸引了十多位国际著名空间科学家参加。后因资金问题，“夸父计划”一直处在暂缓执行期。

这次，“羲和号”实现了我国太阳探测的破冰之旅，这对“夸父计划“也将起到很大的推动作用。据了解，“夸父计划”目前已被纳入中国科学院先导计划。

近日举行的香山科学会议第711次学术讨论会上，太阳探测也成为一个重要话题。中国科学院院士、中国空间技术研究院研究员杨孟飞所带领的团队对太阳开展立体探测提出了新的设想，即通过两次发射任务，在2035年前后完成5个点位的探测器部署，构建起环黄道面（地球公转轨道面）、太阳极区的全方位立体探测体系，实现对太阳全球和日地空间的立体探测。

中国近距离探测太阳也正行走在路上

数十年来，尽管人类社会已经从各个角度观测太阳，但碍于技术原因，都只是远远地观测，并没有近距离地接触过太阳，直到“帕克号”的出现。

2018年8月11日，美国发射的“帕克号”太阳探测器乘坐德尔塔Ⅳ重型火箭开启太空之旅。“帕克号”是自人类探索太阳以来，离太阳最近的航天器，它能够进入日晷层，在距离太阳九个太阳半径的轨道上对太阳进行近距离观测。

▲艺术家绘制的帕克太阳探测器接近的概念图（图片来源/NASA）

但是近距离探测太阳挑战巨大，首先是速度难题。在这次任务中，“帕克号”太阳探测器将在近七年内使用金星七次重力助推，逐渐使其轨道更接近太阳，并以每小时43万英里（69万千米）的速度快速掠过太阳。

此外，克服太阳的光和热是更大的挑战。太阳在日晷层的温度高达百万摄氏度，虽然由于粒子分布过于稀疏的原因，探测器并不会碰到这么多的高温粒子，但探测器面对的实际温度仍然高达1400度。

为此，NASA为“帕克号”设计了可以反射大部分热量的陶瓷图层与隔热性极强的碳复合材料碳泡沫夹层组合共同构成的防热盾。在观测时，科学仪器将处于这些材料的重重保护下，并且配备的热传感器还使得探测器可以即时地调整姿态，避免科学仪器在高温下损坏。

▲NASA的工作人员正在安装“帕克号”太阳探测器的隔热罩（图片来源/NASA）

到2020年1月29日，“帕克号”太阳探测器已经完成第四次近日飞行。其上搭载的仪器对日冕中的活动进行了观测，为人类理解太阳风的起源和高能粒子物理学提供了新见解。

中国什么时候才能发射近距离的太阳探测器呢？郭洋告诉记者，当前中国的有关近距离探测太阳的计划已经在行动之中，国内有多个科研团队都在从事相应的研究，其中克服接近太阳时的高温高热材料研发和工程保障是其中的重中之重。在不远的将来，中国近距离探测太阳的装置也将会踏上征途。

方成透露，我国的太阳探测已经初步制定了三步走的探测方略：第一步，卫星发射到地球围绕太阳转的黄道面上，对太阳进行不同角度的观测；第二步是发射卫星到发射和探测难度更大的太阳极区进行探测；第三步是发射探测器到太阳附近区进行观测。我国将从容易到难，不断提高我国对太阳的探测水平，从而帮助我们进一步了解太阳的构造，确定太阳活动的三维结构，掌握其机理和活动规律，为造福人类、趋利避害提供更为充分、可靠的保障。

未来实现空间天气研究预报

焦维新告诉记者，随着人类太空探索技术的发展，空间天气研究已经成为不可忽视的重要领域，空间天气学也逐步发展成为一门新型的学科，这门学科主要就是研究太阳的活动规律，推动空间天气预报的发展，为人类的生活和生产提供服务。

但是焦维新表示，作为一门应用性的学科，空间天气学的发展并没有得到充分的重视，其发展已经滞后于经济社会的发展，在我国这个问题也很严重。如果这种局面不得到扭转，将会给我国未来的发展造成巨大的经济损失。

▲太阳风影响地球磁场示意图

最近几十年来，中国深空探索的步伐很快，月球探测、火星探测都取得了很大的突破和进展，但是因为认识、项目资金等多方面的原因，太阳探测的步伐比较缓慢，这种局面急需得到改观。

“太阳是太阳系中一个最为主要的天体，它是主宰太阳系中各种运动的核心，对地球的气候、温度等多个物理要素都具有重大的影响，对它的探测是人类太空探测非常重要的一环。现在我国空间技术已经取得了很大的进步，探月、探火等工程项目也进展顺利，接下来需要不断强化太空领域的基础科学研究，太阳探测和研究已经成为极为重要的事情。”方成表示，在太阳系的天体中，除了地球以外，太阳与人类的关系最为密切，它会影响到地球系统整个空间的环境，现在中国在太空已经发射有数百颗卫星，空间站也正在建设的过程中，而它们长时间的稳定、可靠运行都需要空间天气学来作为保障，而这就必须要通过针对太阳的探测和研究做好预报、预警工作。

“空间天气学与我们人类的关系非常重要，我国太阳探测的进程需要加快，目前我国在这个领域和一些发达国家的差距比较大。”焦维新说。

撰文/记者 李鹏 图文编辑/陈永杰

新媒体编辑/刘大珩 图片来源/视觉中国（除署名外）

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