除了火星還有什麼星球適合探索（探索探日）

2023-05-14 16:51:56 1

來源：交匯點新聞客戶端

交匯點訊繼「探月」「探火」之後，我國「探日」正在提上日程。新華日報·交匯點記者日前從中國科學院紫金山天文臺獲悉，我國第一顆綜合性太陽探測衛星——先進天基太陽天文臺（ASO-S）的工程樣機研製即將完成，再經過1年左右的飛行樣機研製後，計劃於2022年擇機發射升空，預期在軌運行不少於4年。我們為什麼要上天「探日」？我們的太陽探測衛星有哪些科學目標？實現這些科學目標要跨越多少難關？記者採訪了ASO-S衛星工程首席科學家、中科院紫金山天文臺甘為群研究員。

為何上天「探日」

太陽是一個天然的物理實驗室

逐日追風，人類自古有之。夸父追日、后羿射日、金烏負日等古代神話傳說，無不折射出人類對於太陽的好奇心。如今，先進的科學技術使我們有機會看到更真切的太陽。大約46億年前，在距離銀河系中心約2.6萬光年之處的獵戶座旋臂上，一團分子雲開始在自身的引力作用下坍縮，並逐漸形成了我們今天所熟悉的太陽。太陽距離我們約1.5億千米，而它發出的光需要8分多鐘的時間才能抵達地球。即使這麼遙遠，太陽依然是與我們關係最密切的一顆恆星，也是唯一一顆可以詳細研究的恆星。它為什麼會發光？它是永恆存在的嗎？它的結構是什麼？它有哪些顯著特徵？它會對地球造成哪些影響？為了回答這些問題，科學家不僅發展出了相應的基礎理論，還建造或發射了各種探測器，層層揭開太陽的神秘面紗。「從研究自然規律、自然科學的角度來說，太陽是一個非常好的天然的物理實驗室，可供我們研究的內容非常豐富。」甘為群說，太陽上發生的物理現象，在中學到大學的物理教科書和物理學前沿研究中都能找到相應的內容。除了太陽內部物理過程，太陽的表面、大氣、磁場、結構、波動、全波段輻射、等離子體、流體的規律……都可以觀測研究，而這些物理現象在其他天體上進行詳細觀測是不可想像的。為什麼要在空間進行太陽探測？甘為群解釋說，由於地球大氣層的存在，在地面上對太陽進行觀測，只能觀測到可見光和有限的射電輻射，它們在寬廣的太陽輻射波譜中只佔很小的一部分。而更多波段輻射，比如大部分紫外和紅外線、X射線和伽馬射線等高能輻射，在到達地面前就被地球大氣吸收掉了。「衛星的優勢在於能夠完全脫離地球大氣的影響，從各個波段研究太陽，從而描繪出一幅完整的太陽圖像。」自上世紀60年代以來，世界各國已經先後發射了六七十顆太陽探測衛星進入太空。在這場太陽的探索之旅中，我國在太陽探測衛星方面一直缺席。甘為群告訴記者，多年來我國天文學家根據國外的衛星觀測資料做研究、寫論文，相關研究成果在國際上雖然名列前茅，但是還缺少原創性貢獻。中國要做科技強國，應該對國際上的科研多做原創性貢獻。目前我國科技實力增強，國家正在迎頭趕上，作為我國第一顆綜合性太陽探測衛星，ASO-S應運而生。ASO-S也是中國科學院戰略性先導專項「空間科學（二期）」啟動的四項衛星工程之一。

ASO-S衛星有何不一樣

為研究「一磁兩暴」搭載三臺載荷

與目前在天上飛的其他國家的太陽探測衛星相比較，ASO-S有何不一樣？甘為群說，ASO-S最大的特點，就是其科學目標。他強調，ASO-S首先是一顆科學衛星而非應用衛星。「太陽上最猛烈的兩個噴發是太陽耀斑和日冕物質拋射，人們現在認為它們起源於太陽磁場。太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質拋射之間的關係是太陽物理學領域最重要的課題之一。」甘為群將太陽磁場、耀斑和日冕物質拋射簡稱為「一磁兩暴」，而ASO-S的科學目標也正是「一磁兩暴」。

為了實現這一科學目標，ASO-S的載荷配置也很有特色。「我們給衛星設計了三個載荷，即攜帶三臺儀器，一個叫全日面矢量磁像儀，專門觀測太陽磁場；一個叫硬X射線成像儀，專門觀測太陽耀斑；一個叫萊曼阿爾法太陽望遠鏡，專門觀測日冕物質拋射。這樣的科學目標和載荷配置，構成了我們衛星的特色。」甘為群說，在天文研究中，組合觀測即在多波段同時進行觀測非常重要。「比如從紅外看，從紫外看，從X射線看，從伽馬射線看，不同的波段反映不同的物理過程，同一個東西在同一時間通過不同的波段觀測，能夠反映物理的不同方面，所以這也是我們衛星的特色所在。」除了組合特色外，三臺儀器也有一些自己的特色。比如全日面矢量磁像儀，其時間解析度相對較高；硬X射線成像儀比國際同類儀器探頭數目要多，我們有99個探測器；萊曼阿爾法太陽望遠鏡則是進行內日冕觀測，同時萊曼阿爾法譜線本身又是一個新的觀測波段窗口。衛星「登天」，關鍵技術的攻堅克難也是「難比登天」。甘為群告訴記者，僅硬X射線成像儀就至少需要攻克三個關鍵技術。以光柵的加工為例，硬X射線成像儀的99個探頭相當於一個個的小眼睛，這些小眼睛前面是由光柵構成的，X射線光子需要穿過光柵中的縫隙，而最窄的縫隙只有18微米（1微米=0.001毫米)，比頭髮絲還要細。「這需要非常非常精細的工藝，像做一本書一樣，我們先加工一張張帶有狹縫的薄『紙』，再把一張張的薄紙黏貼成一本有著均勻縫隙的『厚書』，而每條縫隙的對齊精度要遠小於狹縫的寬度。」此外，硬X射線成像儀的前端光柵和後端光柵距離1.2米，光柵在前後端要對應得分毫不差才行，否則無法成像，同時還要考慮熱脹冷縮、空間環境惡劣、經歷發射過程等因素。「這一技術之前在我國是空白，經歷了整整三年我們才完成了關鍵技術攻關。」還有萊曼阿爾法太陽望遠鏡，它實際上由三臺望遠鏡組成，其中最難研發的一臺叫做日冕儀。日冕儀不是看太陽的「圓盤」，而是看太陽「圓盤」外面從1.1個太陽半逕到2.5個太陽半徑的區域，這一區域的光是「圓盤」光的10的-7次方到10的-8次方，它的光太弱了！必須要把日面的強光擋住，才能測到這一區域的光，難度可想而知。

為何選擇2022年發射

詳細記錄第25個太陽活動周的「太陽風暴」

據了解，目前ASO-S衛星工程樣機研製即將完成，即衛星已經從圖紙做成了產品。工程樣機將進行一系列的實驗，其中最重要的就是環境模擬實驗，模擬它在天上工作，模擬遙感遙測等全套工作流程。預計2月開始進入飛行樣機研製階段，計劃2022年上半年擇機發射。「之所以選擇在2022年發射，跟太陽活動周期有關。」甘為群介紹，太陽黑子的數量和位置呈現出的周期性變化，就是太陽11年活動周期。2021年到2022年正處於第25個太陽活動周期的開始階段，隨著太陽周期的開始，太陽黑子越來越多，太陽磁場會越來越強，太陽的爆發就會增加，逐漸達到一個峰值。這個峰值可能在2024年到2026年之間。「我們計劃2022年發射太陽探測衛星，預計它的工作時長為4年。這樣就可以覆蓋一個從開始到峰值的較為完整的太陽周期，從而獲得儘可能多的觀測樣本。」 ASO-S上天后，將在距離地表720公裡的軌道上工作。為何選擇這個距離？甘為群告訴記者，科學研究是一個延續的過程，早在1993年他就開始介入太陽空間探測的研究。在ASO-S立項之前，他曾負責一個中法合作項目，當時就詳細論證過，將衛星的軌道定在720公裡。「硬X射線成像儀原則上要求軌道低一點，日冕儀又要求軌道高一點，當時我們就做過軌道優化設計，論證出720公裡比較合適。這樣的軌道設計還能夠滿足差不多一天24小時連續觀測太陽。」太陽研究與人類生活密切相關。太陽為我們帶來了光明和溫暖，同時也會對地球產生重大影響。一旦太陽「發威」，太陽耀斑和日冕物質拋射產生的磁雲會裹挾著大量帶電高能粒子，直奔地球而來。對地球環境，尤其是與現代生活息息相關的電磁環境造成嚴重破壞。 ASO-S項目在研究「一磁兩暴」自然規律的同時，也會及時預報太陽爆發對地球的影響。據計算，一旦發生日冕物質拋射等爆發活動，科學家可以至少提前40個小時得到信息，就像地球上的天氣預報一樣，及時預警，做出防護舉措，以避免人類生存環境受到破壞。

交匯點記者蔡姝雯