探日“先锋官”“羲和”带领中国步入自主探日时代

特约记者 黄 帆 周鑫月 刘 彦 /文

草木发芽，万物生长，人类的生产生活离不开太阳。太阳是太阳系中最大的天体，距离地球约1.5 亿公里（一个天文单位），是离地球最近、与人类关系最密切的恒星。

大约在46 亿年前，太阳在距离银河系中心约2.6 万光年处，由星云在自身引力作用下坍塌凝聚而形成，太阳寿命大致为100 亿年，目前正处于壮年期，它的直径达139 万公里，是地球的107 倍，质量达2000 亿亿亿吨，是地球的33 万倍，占整个太阳系总质量的99.87%。

从“夸父追日”到“两小儿辩日”再到“羲和”探日，中华民族对太阳的好奇与探索从未停息。2021 年10 月14 日我国首颗太阳探测科学与技术试验卫星“羲和号”成功发射，我国正式步入“探日”时代。

一年以来，国家航天局组织航天科技集团、南京大学等工程任务团队，开展卫星平台超高指向精度、超高稳定度技术试验300 余次，太阳光谱成像1000 余次，圆满完成了“羲和号”在轨测试和试验工作，取得了重要成果，其中包含5 项国际首次成果：

·首次实现了对太阳Hα 波段的光谱扫描成像，记录了太阳活动在光球层和色球层的响应过程；

·首次在轨获取了太阳Hα 谱线、Si Ⅰ和Fe Ⅰ谱线，得到了完整的谱线轮廓；

·首次采用基于“动静隔离、主从协同”模式的非接触式磁浮卫星平台，实现了超高指向精度、稳定精度卫星平台技术在轨性能验证及工程应用；

·首次实现了太阳空间Hα 谱线成像仪在轨应用，光谱分辨率优于0.0024nm；

·首次实现了在轨高精度原子鉴频太阳测速导航仪在轨验证,测速精度优于2m/s。

“羲和号”全日面Ha 波段光谱扫描成像

全日面色球多普勒速度场

国家航天局副局长吴艳华表示，“羲和号”作为中国航天“十三五”重点规划的首颗太阳探测科学与技术试验卫星，实现了国际首次太阳Ha 波段光谱成像的空间探测，极大提高了我国在太阳物理领域研究能力，对我国空间科学探测及卫星发展具有重要意义。

高分辨率成像 给太阳做个“CT”

太阳Hα 谱线是光子与氢原子相互作用后电子能级跃迁产生的谱线之一，是太阳爆发时响应最强的色球谱线，能够直接反映爆发的源区特征。此前，只能在地球上进行探测，因受大气干扰，探测数据不连续不稳定。

“羲和”号卫星搭载的主要科学载荷——Hα 成像光谱仪对其进行高分辨率成像（分辨率达0.0024纳米），每张光谱扫描图像实际上都包含了300 多张照片，分别对应了光球层和色球层不同高度处的太阳图像，相当于给太阳低层大气做了一次“CT”扫描。在每一张“CT”图上，又反映了日面上近1600 万个点的信息。

除太阳Hα 谱线外，“羲和号”还同时获得了Si I 谱线和Fe I 谱线。尤其是Si I 谱线，以往在地面观测时被地球大气的水分子谱线掩盖，“羲和号”在国际上首次在空间直接观测到了Si I 完整的谱线轮廓。

高分专项总设计师兼副总指挥、国家航天局对地观测与数据中心主任赵坚介绍，“羲和”号卫星在轨开展的相关试验，是国际上第一次在太空进行Hα 谱线研究，目前已经获得了2 项太阳探测国际科学成果，显著提高了我国在太阳物理领域的国际影响力。

“双超”卫星平台设计 拍照拒绝“手抖”

“羲和号”采用了超高指向精度、超高稳定度的“双超”卫星平台设计。在轨应用磁浮技术，采用“动静隔离非接触”总体设计新方法，将平台舱与载荷舱物理隔离，阻断平台舱微振动对载荷工作的影响，卫星平台的指向精度、姿态稳定度均提高了1-2 个数量级，达到了国际先进水平。

原子鉴频 给卫星装上导航仪

卫星在太空中飞行，如何准确获取自身的位置和速度是首先要解决的问题。

行驶在地球上的汽车，可以通过导航系统实时掌握自己的位置。但卫星飘在天上，定位难度要比给车定位难的多，怎么个难法呢？

“羲和号”发射前 摄影/雷春鸣

与近地空间任务相比，月球以远的深空探测任务由于没有导航卫星的辅助，只能依靠传统的无线电测距、测速导航方法。然而无线电导航会随着卫星飞行距离的增加而大幅下降，难以及时准确地确定卫星在太空中的位置和速度。

太阳光到达在太空中运动的卫星时，会产生频率变化，也就是通常说的多普勒频移。当波源运动时，在其运动方向接收到的波长会变短（频率会升高），在背向其运动方向上，接收到的波长会变长（频率会降低）。简单来说就是“运动的物体把它前方的波形挤压的更致密，后方拉伸的更稀疏”。频移的大小与卫星相对太阳的视向速度成正比。因此，如果能测出太阳光的频率变化，也就能知道卫星相对太阳的视向速度。

“羲和号”搭载的原子鉴频太阳测速导航仪，是国际首次在轨采用原子鉴频原理。经过在轨实测，导航仪的速度测量精度优于2米/秒。

该导航仪利用钠原子自身的超精细光谱作为频率标准，实时准确地确定太阳光的频率变化，进而获取卫星相对太阳的视向速度。为未来深空探测任务中的自主导航提供了一种新型的速度测量技术手段，夯实我国在深空探测领域的原创性技术积累，促进原子鉴频及相关技术在航天领域的应用。

空间太阳探测意义何在

太阳对地球的影响无所不在，主要体现在太阳爆发产生大量带电高能粒子，对地球电磁环境造成严重破坏，其中尤以太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射对地球电磁环境影响最为显著。

强耀斑和日冕物质抛射等太阳活动干扰通信和导航、威胁航天员的健康，甚至毁坏航天器，对太阳活动的观测和研究不仅具有重要的科学意义，更具有巨大的应用价值。

另外，通过对太阳的探测，人类可以深入了解天体磁场的起源和演化、高能粒子的加速和传播等重要物理过程，对天体物理学研究具有重要意义。

“羲和”还有“小伙伴”

太阳活动周期约11 年，2021年至2022 年是人类有纪录以来第25 个太阳活动周期的开始，全世界又进入太阳研究新的高峰期。

我国目前已经制定了 “羲和”、“先进天基太阳天文台”两个太阳探测计划。这是太阳探测的中国方案和中国贡献。

“羲和号”科学目标是在国际上首次开展空间太阳Hα 光谱成像探测，为建立太阳暴发能量传输模型提供有力支撑。“羲和号”去年10 月成功发射后，任务团队开展了各种在轨试验，已在轨稳定运行近一年。

“先进天基太阳天文台”是中科院先导专项规划的一颗太阳综合观测卫星，以“一磁两暴”为科学目标，对太阳耀斑、日冕物质抛射和全日面矢量磁场开展观测，研究“一磁两暴”的起源、相互作用及彼此关联，为严重影响人类正常生活的空间灾害性天气预报提供支持，计划今年10 月发射。