ASO-S：中國(guó)人的“探日”天眼

 

太陽(yáng)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(yáng)黑子、太陽(yáng)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。圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)

 

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(yáng)磁場(chǎng)；一個(gè)叫硬X射線成像儀，專門觀測(cè)太陽(yáng)耀斑；一個(gè)叫萊曼阿爾法太陽(yáng)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

 

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(lái)了光明與熱量，它便是太陽(yáng)。

 

太陽(yáng)，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(guò)對(duì)太陽(yáng)的詳細(xì)研究，我們能更深層次地了解太陽(yáng)磁場(chǎng)、太陽(yáng)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(yáng)探測(cè)衛(wèi)星——先進(jìn)天基太陽(yáng)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(guò)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(yáng)活動(dòng)周的“太陽(yáng)風(fēng)暴”，并及時(shí)預(yù)報(bào)太陽(yáng)爆發(fā)對(duì)地球的可能影響。

 

太陽(yáng)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(wàn)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(yáng)。

 

從古至今，太陽(yáng)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(guò)，人們最為關(guān)心的問(wèn)題總是繞不開太陽(yáng)對(duì)地球造成的影響。

 

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

 

2003年10月31日，太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)黑子存在于太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)耀斑則是一種強(qiáng)烈的輻射爆炸，是太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)。

 

“從自然科學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)是一個(gè)非常好的天然物理實(shí)驗(yàn)室，除了太陽(yáng)內(nèi)部物理過(guò)程，對(duì)于太陽(yáng)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(shuō)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(lái)，世界各國(guó)已經(jīng)先后發(fā)射了70多顆太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星。

 

2018年，備受矚目的美國(guó)帕克太陽(yáng)探測(cè)器發(fā)射升空，它以前所未有的近距離對(duì)太陽(yáng)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(yáng)探測(cè)？甘為群解釋說(shuō)，由于地球存在大氣層，在地面只能觀測(cè)到太陽(yáng)可見光和有限的射電輻射，它們?cè)趯拸V的太陽(yáng)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(wèn)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(lái)，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(yáng)天文臺(tái)（ASO-S）”通過(guò)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(guò)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(yáng)空間探測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃，數(shù)十年過(guò)去，迄今我國(guó)仍沒(méi)有發(fā)射過(guò)一顆太陽(yáng)探測(cè)專用衛(wèi)星。因此，中國(guó)第一顆綜合性太陽(yáng)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(guò)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(yáng)同步軌道開始肩負(fù)起探索太陽(yáng)的重任。

 

“在國(guó)際天文學(xué)中，我國(guó)的太陽(yáng)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(lái)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(shuō)。

 

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(yáng)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(yáng)磁場(chǎng)、太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)磁場(chǎng)；一個(gè)叫硬X射線成像儀，專門觀測(cè)太陽(yáng)耀斑；一個(gè)叫萊曼阿爾法太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡，專門觀測(cè)日冕物質(zhì)拋射。”甘為群說(shuō)，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(yáng)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(méi)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)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(guò)程等因素。

 

2021—2022年正處于第二十五個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期的開始階段，太陽(yáng)黑子將越來(lái)越多，太陽(yáng)磁場(chǎng)也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，太陽(yáng)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(yáng)周期。

 

升空后，ASO-S衛(wèi)星將在距離地表720公里的太陽(yáng)同步軌道運(yùn)行，該軌道穿過(guò)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(yáng)。ASO-S衛(wèi)星的預(yù)期在軌運(yùn)行時(shí)間將不少于4年。