太阳动力学天文台（SDO）

□ 夏 寒

太阳动力学天文台（SDO）

□ 夏 寒

太阳动力学天文台（美术图）

太阳动力学天文台（Solar Dynamic Observatory，SDO）是美国宇航局（NASA）发射的一颗天文卫星，专门用于观测太阳。2010年2月11日，美国东部标准时间上午10点23分，在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空。按规划它将在太空中工作5年3个月。此空间观测设备的各个部件经过了严格的检验，依据过去的经验，很可能工作更长时间，为此，它携带的消耗品可维持正常工作10年。这颗天文卫星的主体由美国戈达德空间中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）研制，它在太空的运行也由该中心操控，但是，其携带的三组观测设备由其他三个不同单位研制。

从世界范围看，目前太阳动力学天文台是功能最强大的空间太阳观测仪器。它所获得的太阳图片除了被天文学家用做研究外，还常常出现在国内外科学和科普网站、杂志以及影视节目当中，借此，人们可以欣赏太阳的美丽壮观，了解太阳的活动情况，思考太阳活动的物理本质。

1 太阳与地球息息相关

最近一百年，人类社会随着科学技术快速发展。人们逐渐发现，在生活、生产和科学活动各个方面，太阳对地球和人类有多种影响。早在1859年9月2日，巨大的太阳耀斑使得美英等国的电报通讯中断。1989年3月13日，剧烈的太阳耀斑现象造成加拿大魁北克省的供电系统瘫痪，停电达9个小时，带来巨大的经济损失。20世纪50年代后期，苏联发射世界上第一颗人造卫星，此后，人类的空间探测活动迅速增多。太阳活动会损毁人造卫星，或者威胁宇航员的身体健康。因此，世界强国都很重视太阳活动研究，在20世纪末，诞生了一门新的学科“空间天气学”。

讲到天气，人们并不陌生，通常所讲的天气是指地球对流层内（距离地面约10多千米）的大气现象，包括云、雾、雨、雪、风和气温等。而空间天气是指地球电离层及其外部（50千米以上）、甚至整个太阳系行星际空间的物理状况，主要包括太阳风粒子和电磁辐射情况。它们是影响人类空间活动、甚至造成地面灾害的主要因素。而高能量的太阳风粒子和强烈的电磁辐射来源于太阳活动，包括太阳耀斑和日冕物质抛射等活动现象。空间天气的源头是太阳活动。

图1 太阳风及太阳活动影响地球的示意图

图2 太阳风和日冕物质抛射

2 精心策划有的放矢

为了保证人类空间探测活动安全正常地进行，减少或避免太阳给人类生产生活带来的危害。美国航空航天局开展了“同恒星一起生存”（Living With a Star，LWS）的科学项目。LWS项目的主要目的是为人类提供太阳物理和地球空间物理的相关知识，使得人们能够理解哪些太阳活动会影响人类的生活、生产以及科技活动，具体的物理机制是怎样的，并发展预报不良空间天气的能力。太阳动力学天文台（Solar Dynamic Observatory，SDO）是美国航空航天局LWS项目下的第一颗科学观测卫星。早在2000年7月1日的一次会议上，他们就为SDO规划了初步的项目时间表。在此后长达10余年的研制过程中，对观测设备、发射方案以及地面系统不断进行更新和细化，最终成功发射。2012年8月30日，美国发射了LWS项目下名为“范阿伦辐射带探测（Radiation Belt Storm Probes，RBSP）”的第二颗探测卫星。随后几年LWS项目的科学家还将研制另外三个探测仪器。

20世纪中后期，人类逐渐明白太阳活动与地球息息相关，从此，太阳磁场与太阳活动研究成为天文学的重要组成部分。太阳物理学家制造了各种特殊的仪器进行观测，同时，相对于其他恒星，太阳距离地球非常近，对它的观测与了解比其他天体要细致得多。尽管如此，在太阳面前，科学家还有数不清的未解谜题。太阳活动约11年周期的产生原因是什么？太阳表面局部活动区强磁场是如何形成又是如何消失的？小区域内磁场线重联怎样改变大尺度的磁场结构且它在加热日冕和加速太阳风方面起多大作用？太阳极紫外辐射变化起源于何处？这种紫外变化与太阳活动周关系如何？怎样的磁场结构会导致耀斑爆发、日冕物质抛射和暗条爆发？地球附近太阳风的特性是否取决于太阳表面的磁场结构与大气性质？当太阳活动发生后我们如何准确预报地球附近的空间天气？等等，正是带着这些问题，天文学家将空间动力学望远镜送上太空。要完全掌握太阳这颗恒星的脾性，避免由它引起的损失，科学家必须想方设法对太阳多面出击。

3 高频照相侦察太阳大气的一举一动（AIA设备）

图3 “太阳大气成像装备（AIA）

太阳物理学家的科学目标非常明确，为此他们在太阳动力学天文台（SDO）安装了三组设备，其中之一是“太阳大气成像装备（Atmospheric Imaging Assembly， AIA）”。此观测装备由美国洛克希德·马丁太阳天体物理实验室（Lockheed Martin Solar Astrophysics Laboratory） 研制，它是四个望远镜组成的阵列，每10秒钟完成一次成像过程，每次成像，天文学家可以在10种可用波段中选取其中八个，即每10秒可以获得8个高分辨率的太阳大气图像，这样的快速拍摄应该不会漏掉任何太阳变化细节。此成像设备的空间分辨率达1角秒，在太阳表面对应725千米的距离，这相当于可以清楚地看到200米之外放置一个小米粒。

4 日震和磁场观测探求物理本质（HMI仪器）

图5 日震和磁场成像仪（HMI）

太阳动力学天文台（SDO）的另一个观测设备为“日震和磁场成像仪（Helioseimic and Magnetic Imager， HMI）”。此观测仪器由美国斯坦福大学的天文学家研制，利用波长6137埃，观测太阳光球表面的振动波和磁场，空间分辨率同AIA一样，仍为1角秒。太阳光球表面的物质并非处于静止状态，而是在不停地上下振动，称为日震，HMI通过成像的方式观测它。地球物理学家通过测量地震波，可以研究地球的内部构造；通过超声波仪器，医生可以探测不能被直接看见的人体内部脏器；这些方法都利用了波动传播的性质，同样，太阳物理学家通过日震波，可以研究并了解太阳内部的温度、密度、压力、化学成分和物质运动等物理性质。

日震和磁场成像仪（HMI）还可以测量太阳表面的磁场，包括垂直于太阳表面的纵向磁场和平行于表面的横向磁场。太阳大气成像装备（AIA）观测的各种太阳活动现象追根溯源是由于太阳磁场变化造成的。将HMI测量的光球磁场同太阳大气中的活动现象结合起来，才可以找出太阳活动现象的成因，弄清其中的物理机制，进而预报它们的发生。将日震观测与磁场观测结合起来，可以帮助我们理解太阳磁场的起源、活动区局部演化以及整个太阳磁场约11年周期性变化等难题。

图6 太阳动力学望远镜的HMI设备获得的太阳像

太阳大气从光球、色球到日冕延伸非常广大的范围，不同的区域具有不同的温度，不同的温度往往使得某一元素的特定谱线辐射十分强烈。AIA设备利用了极紫外波段94～335埃中的七个特定元素的谱线进行成像，另外再加上1600埃和1700埃两个紫外谱段波长，还有一个4500埃的可见光波长，共10个成像波长。可以观测的区域包括：太阳光球上层（温度极小区域）、色球、色球－日冕过渡区和日冕等不同层次的太阳大气，其中有些波长更适合观察局部活动区的变化。太阳活动引起的任何细微变化都可以被AIA记录下来，供天文学家研究。普通天文爱好者则可以通过观看这些美丽的图片，了解壮丽的太阳大气以及它的变化多端。

图4 太阳动力学望远镜的AIA设备获得的9个波段的太阳像

5 测量极紫外辐射强度寻找太阳的变化规律（EVE设备）

太阳除了辐射可见光外，还会辐射其他人眼不可见的电磁波，比如，红外波段电磁波和紫外波段电磁波。紫外线波段中波长较短的部分被称为极紫外辐射，这种辐射会给人类带来极大的伤害，假如长期暴露在太阳的极紫外辐射之下，人们会因此患上皮肤癌等疾病。幸运的是，地球周围有一层厚厚的大气，它可以吸收掉太阳的极紫外辐射，保护人类。正是因为这一吸收过程，太阳高能紫外光子加热地球高层大气，并使地球高层大气中的部分原子和分子电离，产生了地球高层大气的电离层。

在可见光波段观测太阳，它的亮度非常稳定，基本看不出有什么变化。可是，如果在极紫外辐射波段观测太阳，它则呈现出完全不同的面孔。不管是从几秒钟或几分钟的短时间段，还是长达约11年的长时间段，极紫外辐射强度都在不停地变化着，变化幅度可达上百至上千倍。太阳极紫外辐射增强时，它会加热地球大气，使之膨胀，以致给人造卫星的运行增添阻力；同时，太阳极紫外辐射的变化，可以改变电离层的电离度，这会影响无线通讯和全球定位系统（GPS）的正常运转。

图7 极紫外变化实验（EVE）

图8 极紫外变化实验（EVE）获得的3天的观测数据

太阳动力学天文台的第三组观测设备，极紫外变化实验（Extreme Ultraviolet Variability Experiment，EVE）是专门用来测量太阳极紫外波段辐射强度起伏变化的设备，科学家们希望通过该设备的观测，找出极紫外辐射随太阳活动变化而变化的规律。此观测设备由位于波尔多市的科罗拉多大学大气和空间物理实验室研制。

6 功能强大史无前例

太阳动力学天文台（SDO）携带了三组观测装备，各有各的功能。SDO的日震观测和磁场观测（HMI）可以透视太阳内部，帮助了解太阳活动的本质。极紫外变化实验（EVE）则记录太阳射向地球的极紫外辐射变化。大气成像装备利用多个波长，拍摄太阳大气的一举一动。SDO从多方面多角度探测太阳，称得上是独一无二的太空观日利器。它携带的成像观测设备的空间分辨率达1角秒，优于之前太空中的同样设备。SDO配备高速相机，平均不到一秒钟就可获得一张太阳图片，与之对比，1995年发射升空的太阳观测卫星SOHO要获得一个太阳图片需要几分钟。不仅如此，SDO的相机可获得大画幅高清晰度图片，比普通高清电视的图像清晰度高10倍。多组观测设备进行观测，可获得高清晰度的图片，能够高频拍摄太阳，使得SDO每秒累积150M的数据，数据量在空间望远镜历史上前所未有，是之前其他太空观测设备的50倍，而且太阳动力学天文台一天观测24个小时，每周观测7天，持续不断。为此美国宇航局专门在新墨西哥州拉斯克鲁塞斯市（Las Cruces）附近专门建立了两个18米的射电天线，用于接受SDO的观测数据。

（责任编辑 苏晨）