羲和號牛刀小試，我們為何要在太空看太陽？

昵稱21405352 2021-11-02

展開全文

前言

10月14日，我國第一顆太陽探測衛星“羲和”號成功發射升空，使我國的太陽物理研究進入了空間觀測的新時代。

在不受大氣層遮擋的太空中觀測太陽，既能獲得豐富的科學產出，又有空間天氣監測預報的現實需求。國際上的太陽空間探測開始于上世紀六十年代，在上世紀九十年代中葉迎來一個高潮，在過去的幾年中又有長足的發展。迄今為止，大部分探測任務都由美國開展或主導，歐洲各國也是重要的參與方。從上世紀八十年代到本世紀初，日本通過Hinotori、Yohkoh、Hinode三個太陽探測衛星任務的開展，在太陽的空間探測特別是X射線波段的探測上占有了一席之地。

（廠房中的羲和號衛星）

早在上世紀七十年代末，我國就曾經提出過“天文衛星1號”太陽探測衛星計劃，并進行了預研工作，并不晚于日本。但由于種種原因，”天文衛星1號“和后續的其他太陽探測計劃均未能實施。羲和號的上天和后續實施的其他任務，有望使我國在這一領域的空白得到填補，獲得原創性的科學發現。

為何要在太空看太陽

炎炎夏日，人們往往要采取各類防曬措施保護自己的皮膚不被曬黑曬傷。透明的大氣層看起來并沒有阻擋太陽耀眼的光芒，但在天文學家的眼中，大氣層卻給天文學的全面研究帶來了不少阻礙。除了人肉眼可以感知的可見光波段外，太陽也在gamma、X射線和紫外等能能量更高的波段向外發射電磁波，而這些電磁波會被大氣層吸收，無法到達地面。對于人類的健康，大氣層對這些高能輻射的阻擋當然是一件好事。但對于太陽物理研究來說，卻無法在地面上對這些波段波段的信息開展觀測。突破大氣層的限制，得到整個電磁波譜的完整觀測，一直是太陽物理學家的希望。

（美國'太陽動力學天文臺“在不同波段拍攝的太陽圖像的拼接圖。由于大氣層的遮擋，這些波段大部分都無法在地面上開展觀測。）

由于其他恒星與我們的距離過于遙遠，太陽是唯一一顆可以進行高分辨率觀測的恒星，我們可以通過研究太陽建立對恒星表面和大氣中各類現象的認識，把相關的規律推廣到天文學的其他研究領域中。例如，在探討行星的宜居性時，一個關鍵的因素是行星圍繞公轉的恒星是否會爆發過于強烈的耀斑。通過對太陽耀斑的研究，我們已經知道耀斑爆發時對于生物體有害的電磁輻射量會發生劇增，而如果其他恒星上的耀斑頻繁又過于強烈，其附近的行星很難有我們已知形式的生物存活。

（在極紫外波段觀測到的一次太陽耀斑爆發。最猛烈的耀斑爆發釋放的能量大致相當于數千顆氫彈同時爆炸。）

同時，太陽上的爆發也會對地球附近的空間天氣狀況產生影響。強烈的太陽爆發會增強太空中的輻射劑量，宇航員在這個時期不能出艙活動，甚至要轉移到防輻射能力較強的艙段中避免接收到過量的輻射。衛星需要根據情況調整運行模式，避免高能粒子和表面充放電造成衛星運行事故。2001年中美南海撞機事件中，我搜救艦隊的通信一度中斷，后經分析，中斷的原因是當時爆發的太陽風暴使電離層的性質發生了強烈變化，短波信號傳輸因此受到影響。在阿富汗戰爭中，一支美軍部隊因太陽爆發引起的通信中斷，未能收到其他友軍單位發來的敵情變化信息，誤入當地武裝人員的伏擊圈，遭受重大傷亡。在太空中對太陽的監視不受日出日落和天氣變化的影響，對空間天氣的變化進行預報預警，對保障各類技術系統的平穩安全運行十分必要。

我國曲折的太陽空間探測之路

在上世紀七十年代后期，我國的太陽物理學家提出了“天文衛星一號”計劃，希望在X射線和其他波段對太陽開展觀測。到1983年，衛星計劃使用的部分科學載荷已經完成了研制，但由于當時國家航天計劃的調整，“天文衛星一號”最終未能發射。

到了上世紀九十年代，我國科學家又提出的“空間太陽望遠鏡（SST）”計劃，主載荷時一架口徑為1米的光學望遠鏡，還能在極紫外、射電等頻段對太陽進行觀測。在經歷了一系列預先研究后，這項計劃在2011年被列入了國家深空探測計劃的一部分。然而，由于我國的深空探測從去年天問一號發射開始才真正啟動，這個計劃也一直處于等待正式立項的過程中。

21世紀初提出的夸父計劃中，計劃將一顆衛星（夸父A星）部署在日地第一拉格朗日點，可以不間斷的在地球之前的位置監視太陽。這顆衛星計劃由我國主導、多個國際合作伙伴共同完成。然而，由于參與該項目的加拿大航天局和歐洲空間局都遇到了經費上的困難，本來為夸父計劃安排的經費預算無法落實，導致夸父計劃未能按照預定的計劃開展。十一五末期提出的中法合作的“太陽爆發探測小衛星”（SMESE）計劃也同樣因法國方面項目安排上的原因而取消。

（夸父計劃中三顆衛星，夸父A用于監視太陽并測量地球附近的太陽風情況，兩顆夸父B衛星用于探測地球系統對太陽風的響應變化。）

在同一時期，國際上的太陽空間觀測如火如荼。在八十年代，單顆衛星的觀測功能還相對單一，觀測持續時間也相對有限。而從九十年代中葉開始，以美歐的SOHO、ACE、Ulysses等一系列太陽觀測衛星為標志，單顆衛星已經可以攜帶多達十多種的科學載荷，成為太空中的綜合觀測平臺，同時給出關于太陽活動的多波段、多種類的信息，還實現了對太陽的不間斷觀測。而到了二十一世紀，STEREO、SDO、Parker Solar Probe、Solar Orbiter等衛星，則推動著太陽觀測走向立體化。

（美國、歐洲和日本共同構成的太陽、日球層和地球磁層觀測衛星體系）

羲和號之后，還有太陽的立體探測

客觀而言，由于我國的空間太陽探測計劃長期未能實施，我國的太陽空間探測離國際主流水平還有較大差距，甚至不及我們的近鄰日本。我國的”天文衛星一號“計劃在科學水平和提出時間上，都與日本的Hiotori相當。但”天文衛星一號”的計劃未能變成現實，但Hinotori卻在1981年就成功發射升空。日本后續又實施了Yohkoh和Hinode兩個太陽探測衛星計劃。雖然這三個衛星的規模比SOHO這樣的綜合性觀測衛星小，但它們專精于X波段的太陽觀測，任務時間也銜接的較好，使得日本在太陽觀測領獲得了豐富的技術經驗和科學產出。

以往，我國航天任務長期存在重應用、輕科學的現象。大部分衛星任務或是為了試驗突破新的工程技術，或是實現與實際應用聯系緊密的某種功能。例如，同樣是使用遙感設備在太空中開展觀測，我國的氣象衛星從上世紀九十年代開始至今，已經獲得了長足的發展，形成了極軌的風云一號、風云三號和靜止軌道的風云二號、風云四號兩個衛星家族，相關技術水平也與國際主流水平相當，已被列入國際氣象業務衛星序列。而神舟、北斗、高分等空間載人、導航、遙感系統的建設，也一直如火如荼的開展。與此形成對比的是，除了也帶有技術試驗性質的嫦娥工程外，我國在其他科學領域的空間探測任務開展的很少。

在過去的一段時間里，在我國綜合國力只能有限支撐航天活動開展的情況下，優先支持與國計民生和實用航天技術相關的任務，也許是無奈之下的理性選擇。在沒有自主衛星數據的情況下，我國太陽物理學家長期使用國外開放的衛星數據開展研究，也取得了豐富的成果，打下了良好的研究基礎。然而，由于指導科學衛星研制的總原則——科學目標——是由國外科學家提出并實施的，使用這些數據的研究也不得不一直跟隨在別人指出的大方向上進行，很難獲得根本性的原創成果。而最新的科學衛星，其科學數據往往要在相關參與單位分析完成之后，才會向其他研究者公開。我國科學家拿不到最“新鮮”的數據，也就無法獲得最前沿的科學發現。

同時，從空間天氣預報的應用需求來看，如果美歐在特殊時期采用技術手段，限制甚至中斷相關衛星的數據發布，我國只能依靠地面設備對太陽實施有限度的遙感監測，而對太空中太陽風的實地測量數據則完全無從獲取，空間天氣的監測、預警和預報工作將受到嚴重影響，進而威脅到航天、通信、導航等各類技術系統的正常運行。

（即將在明年發射的先進天基太陽天文臺衛星）

可喜的是，在國家綜合國力和整體科技水平顯著提升的大背景下，中國科學院空間科學先導計劃實施和“天問”系列深空探測計劃開始實施，這一現狀正在得到改變。“羲和”號只搭載了對太陽H-alpha譜線的探測儀器，且同時還帶有一定的技術試驗性質，可以視為我國空間太陽探索的“牛刀小試”。預計在明年，“先進天基太陽天文臺”將發射升空。這顆太陽探測衛星帶有三臺科學儀器，可以綜合獲取太陽磁場、等離子體和高能粒子的觀測信息，實現對太陽爆發的綜合觀測。未來，中國科學家們還提出了利用第四、第五日地拉格朗日點和飛躍日球層南北極的衛星觀測計劃，開展對太陽多角度的綜合觀測。可預見的是，我國的太陽空間探測在經歷了幾十年曲折的發展后，即將迎來一個異彩紛呈的時期。

來源|科工力量