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我們自己的的“探日”天眼 你對(duì)它了解多少
2021-03-16 08:10:24來源: 科技日?qǐng)?bào)

我們的ASO-S衛(wèi)星將攜帶3臺(tái)儀器,一個(gè)叫全日面矢量磁像儀,專門觀測(cè)太陽磁場(chǎng);一個(gè)叫硬X射線成像儀,專門觀測(cè)太陽耀斑;一個(gè)叫萊曼阿爾法太陽望遠(yuǎn)鏡,專門觀測(cè)日冕物質(zhì)拋射。

——甘為群 ASO-S衛(wèi)星工程首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員

◎?qū)嵙?xí)生 季天宇 本報(bào)記者 張 曄

在距離地球1.5億公里的太空中,有一顆時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)光發(fā)熱的巨大恒星,它散發(fā)著的耀眼光芒,穿透大氣,為蔚藍(lán)的地球帶來了光明與熱量,它便是太陽。

太陽,是與人類關(guān)系最密切的恒星,也是唯一一顆人類當(dāng)前可以詳細(xì)研究的恒星,通過對(duì)太陽的詳細(xì)研究,我們能更深層次地了解太陽磁場(chǎng)、太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射(一磁兩暴)。

“目前,我國(guó)第一顆綜合性太陽探測(cè)衛(wèi)星——先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)(ASO-S),即將進(jìn)入正樣研制階段。”ASO-S衛(wèi)星工程首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員甘為群告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

這意味著,衛(wèi)星的工程樣機(jī)研制已經(jīng)接近完成,再經(jīng)過1年左右的正樣研制,ASO-S有望于2022年發(fā)射升空,屆時(shí)將詳細(xì)記錄第二十五個(gè)太陽活動(dòng)周的“太陽風(fēng)暴”,并及時(shí)預(yù)報(bào)太陽爆發(fā)對(duì)地球的可能影響。

太陽一“發(fā)威”后果很嚴(yán)重

大約46億年前,在距離銀河系中心約2.6萬光年之處的螺旋臂上,一團(tuán)分子云開始在自身的引力作用下坍縮,并逐漸形成了今天我們所熟悉的太陽。

從古至今,太陽引發(fā)了人類太多的思考,我們對(duì)這顆耀眼的恒星充滿了好奇。不過,人們最為關(guān)心的問題總是繞不開太陽對(duì)地球造成的影響。

盡管太陽與地球平均距離達(dá)1.5億公里,但一旦太陽“發(fā)威”,就會(huì)給地球帶來不可估量的后果。

2003年10月31日,太陽爆發(fā)了一次強(qiáng)磁暴,使歐美的GOES、ACE、SOHO、WIND等一系列科學(xué)衛(wèi)星都遭受了不同程度損害,導(dǎo)致全球衛(wèi)星通訊受到干擾,GPS全球定位系統(tǒng)受到影響,定位精度出現(xiàn)了偏差,致使地面和空間一些需要即時(shí)通訊和定位的交通系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的癱瘓。

究其原因,就是太陽發(fā)射出大量帶電高能粒子,對(duì)地球電磁環(huán)境造成嚴(yán)重破壞,其中尤以太陽黑子、耀斑和日冕物質(zhì)拋射對(duì)地球電磁環(huán)境影響最為顯著。

太陽黑子存在于太陽光球表面,是磁場(chǎng)的聚集之處,借助現(xiàn)代科技,科學(xué)家們觀測(cè)到太陽黑子的數(shù)量和位置每隔11年就會(huì)出現(xiàn)周期性的變化。

太陽耀斑則是一種強(qiáng)烈的輻射爆炸,是太陽系中最激烈的局地爆炸事件,它所輻射出的光的波長(zhǎng)橫跨整個(gè)電磁波譜。

日冕物質(zhì)拋射則是太陽釋放能量的另一種形式,一次巨大的日冕物質(zhì)拋射可讓數(shù)十億噸的物質(zhì)短時(shí)間內(nèi)離開太陽。

“從自然科學(xué)的角度來說,太陽是一個(gè)非常好的天然物理實(shí)驗(yàn)室,除了太陽內(nèi)部物理過程,對(duì)于太陽的表面、大氣、磁場(chǎng)、結(jié)構(gòu)、波動(dòng)、全波段輻射、等離子體、流體的規(guī)律等我們都可以進(jìn)行觀測(cè)研究。”甘為群說道。

據(jù)計(jì)算,一旦發(fā)生日冕物質(zhì)拋射等爆發(fā)活動(dòng),科學(xué)家可以在它影響地球前至少40個(gè)小時(shí)以內(nèi)得到信息,從而及時(shí)做出防護(hù),避免可能的破壞。

為天文學(xué)研究貢獻(xiàn)中國(guó)力量

自上世紀(jì)60年代以來,世界各國(guó)已經(jīng)先后發(fā)射了70多顆太陽探測(cè)衛(wèi)星。

2018年,備受矚目的美國(guó)帕克太陽探測(cè)器發(fā)射升空,它以前所未有的近距離對(duì)太陽進(jìn)行觀測(cè),并已經(jīng)獲取了相當(dāng)?shù)某晒?/p>

為什么要在空間進(jìn)行太陽探測(cè)?甘為群解釋說,由于地球存在大氣層,在地面只能觀測(cè)到太陽可見光和有限的射電輻射,它們?cè)趯拸V的太陽輻射波譜中只占很小的一部分。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(dá)地面前就被地球大氣吸收掉了。

去年7月,我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問一號(hào)”探測(cè)器成功發(fā)射,時(shí)隔多月,嫦娥五號(hào)返回器在眾盼之下攜帶月球樣品安全著陸……近年來,我國(guó)“探月”“探火”工程逐步推進(jìn),不斷取得重大突破,我國(guó)“探日”工程也提上日程。

2016年4月28日,中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)背景型號(hào)項(xiàng)目“先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)(ASO-S)”通過了由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心組織的項(xiàng)目結(jié)題評(píng)審。之后經(jīng)過1年多的深化研究和綜合論證,ASO-S在2017年底終于獲得中國(guó)科學(xué)院批復(fù)工程立項(xiàng)。

早在1976年,我國(guó)就嘗試提出和實(shí)施太陽空間探測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃,數(shù)十年過去,迄今我國(guó)仍沒有發(fā)射過一顆太陽探測(cè)專用衛(wèi)星。因此,中國(guó)第一顆綜合性太陽探測(cè)衛(wèi)星ASO-S受到了人們的密切關(guān)注。

“打造這顆衛(wèi)星的想法在上世紀(jì)90年代就已形成,之后經(jīng)過不斷修正完善,直到2011年中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng),ASO-S才得以走上正軌,經(jīng)歷了空間科學(xué)衛(wèi)星項(xiàng)目的一套標(biāo)準(zhǔn)程序。”甘為群表示,ASO-S預(yù)估在2022年完成發(fā)射任務(wù),隨后按照計(jì)劃進(jìn)入720公里高的太陽同步軌道開始肩負(fù)起探索太陽的重任。

“在國(guó)際天文學(xué)中,我國(guó)的太陽物理研究論文總數(shù)已經(jīng)位居世界第二,但這些論文所使用的數(shù)據(jù)大都來自國(guó)外衛(wèi)星的觀測(cè),我們?nèi)鄙僭瓌?chuàng)性貢獻(xiàn)。ASO-S上天后不僅可以擁有第一手?jǐn)?shù)據(jù),也將為國(guó)際天文學(xué)研究貢獻(xiàn)中國(guó)力量。”甘為群說。

中國(guó)“探日”衛(wèi)星攜帶3件“法寶”

與國(guó)際上之前的70多顆太陽探測(cè)衛(wèi)星相比,ASO-S衛(wèi)星最大的特點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn) “一磁兩暴”的科學(xué)目標(biāo),即在一個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)上同時(shí)觀測(cè)太陽磁場(chǎng)、太陽耀斑和日冕拋射,研究它們?nèi)咧g的關(guān)系。

為了觀測(cè)“一磁兩暴”,ASO-S將搭載3臺(tái)不同功能的太陽探測(cè)望遠(yuǎn)鏡,它們的有機(jī)組合,是ASO-S的又一個(gè)大特色。

“我們的ASO-S衛(wèi)星將攜帶3臺(tái)儀器,一個(gè)叫全日面矢量磁像儀,專門觀測(cè)太陽磁場(chǎng);一個(gè)叫硬X射線成像儀,專門觀測(cè)太陽耀斑;一個(gè)叫萊曼阿爾法太陽望遠(yuǎn)鏡,專門觀測(cè)日冕物質(zhì)拋射。”甘為群說,除了3臺(tái)儀器的組合特色外,3臺(tái)儀器又各有一些自己的特色。比如全日面矢量磁像儀,其時(shí)間分辨率相對(duì)較高;硬X射線成像儀比國(guó)際同類儀器探頭數(shù)目要多,有99個(gè)探測(cè)器;萊曼阿爾法太陽望遠(yuǎn)鏡則不僅能進(jìn)行內(nèi)日冕觀測(cè),同時(shí)萊曼阿爾法譜線本身又是一個(gè)新的觀測(cè)波段窗口。

在此之前,我國(guó)的“探日”衛(wèi)星屬于空白,沒有多少經(jīng)驗(yàn)可循,關(guān)鍵技術(shù)的攻堅(jiān)克難可謂“難比登天”。就拿硬X射線成像儀來說,需要攻克3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。以光柵的加工為例,硬X射線成像儀的99個(gè)探頭相當(dāng)于一個(gè)個(gè)的小眼睛,這些小眼睛前面是由硬金屬加工的光柵構(gòu)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,比頭發(fā)絲還要細(xì)。甘為群把制作過程比作加工一本書,首先要生產(chǎn)出帶有狹縫的“紙”,再嚴(yán)格控制好紙與紙之間的距離,黏成一本縫隙均勻的厚“書”。此外,還要綜合考慮熱脹冷縮、空間環(huán)境惡劣、經(jīng)歷發(fā)射過程等因素。

2021—2022年正處于第二十五個(gè)太陽活動(dòng)周期的開始階段,太陽黑子將越來越多,太陽磁場(chǎng)也會(huì)越來越強(qiáng),太陽的爆發(fā)會(huì)增加,預(yù)期在2025年前后達(dá)到峰值,ASO-S衛(wèi)星2022年發(fā)射應(yīng)該是一個(gè)非常好的時(shí)機(jī),能夠觀測(cè)到一個(gè)較為完整的太陽周期。

升空后,ASO-S衛(wèi)星將在距離地表720公里的太陽同步軌道運(yùn)行,該軌道穿過地球的南極和北極,傾角在98度,這個(gè)角度能夠確保衛(wèi)星24小時(shí)連續(xù)不斷地觀測(cè)到太陽。ASO-S衛(wèi)星的預(yù)期在軌運(yùn)行時(shí)間將不少于4年。

關(guān)鍵詞: 探日天眼 日冕物質(zhì)拋射

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