ASO-S：“夸父逐日”为哪般

文 /刘岩 钱航 张蓉

10月9日，我国在酒泉卫星发射中心使用长征二号丁运载火箭，成功发射先进天基太阳天文台（ASO-S）卫星，又称“夸父一号”。它将使我国科学家进一步深入研究太阳，帮助解决诸多科学难题：太阳的活动机制是怎样的？太阳光球层磁场怎么变化？日冕抛射遵循怎样的模式？人类如何加强预测，让航天器和航天员避开高能电磁风暴？

▲ ASO-S卫星观测太阳活动示意图

▲ ASO-S卫星搭载于长征二号丁火箭发射。汪江波 摄

▲ 太阳活动影响地球及大气层示意图

上天看太阳好处多

介绍ASO-S卫星之前，我们先要弄清一个问题：如今天文望远镜那么先进，为什么科研人员不能在地面上全方位观察太阳活动呢？

打个比方，假如10米外有1根点燃的蜡烛，人站在原地能观测到什么呢？肉眼只能看到火焰光芒；借助一些科学仪器，能够对火焰颜色进行光谱分析，获知火焰中等离子体电子的电离能量；通过温度计，能测出蜡烛燃烧时的热传导和热辐射状况。如果蜡烛火焰上方冒黑烟，那可能是蜡烛正在不完全燃烧。为什么会这样？蜡烛会不会是由特殊物质构成呢？诸如此类问题都要求观察者更靠近蜡烛。

同理，在地面借助望远镜和电磁测量仪等，人类也能分析出太阳的组成、光亮度、表面温度、辐射等，建立许多科学模型来解释太阳活动。但这些理论仅仅是基于太阳表面特征及科学数据的推断，相关验证以及对于太阳异常活动的解释都不能靠地面观测解决。所以人类需要把仪器尽可能地搬到太阳附近进行观察，获取更多科学数据，开展更全面更详细的研究。

其实，人类不断深入研究太阳的过程，伴随着与科技进步的相互促进。3000多年前，古巴比伦天文学家观察到太阳沿着黄道面运动不均匀，预测太阳轨道，促进了几何物理飞跃。2000多年前，中国先贤长期观测和记录太阳黑子，为探索太阳活动周期提供了珍贵科学数据。1904年，科学家首次提出“太阳的能源是由内部的热源提供的，放射性衰变是维持太阳生命的关键”，由此催生了黑子磁场、日冕、氢氦聚变、质子反应链等当时前沿的科研项目。

理论模型需要逐步证实，从而促进了探日工程启动。20世纪60年代，美国发射先锋号探测器，首次在太阳同步轨道上准确测量了太阳风和太阳磁场。70年代，太阳神号探测器和“天空实验室”提供了大量关于太阳风暴、日冕层和日冕物质抛射的科学数据。90年代，日本发射探日卫星，长时间记录了太阳耀斑的活动情况和分布。当前正不断靠近太阳的帕克号探测器引人关注，有望于2025年空前近距离观测外层日冕。

我国太阳空间观测虽起步晚，但发展快。2021年7月5日，风云三号E星发射升空，首次搭载了太阳X-EUV成像仪。2021年10月14日，“羲和号”成功发射，成为国内首颗太阳探测科学技术试验卫星。

这次发射的ASO-S卫星则是我国首颗综合性太阳观测专用卫星。我国太阳物理学界2011年提出太阳空间探测卫星计划方案，力争抓住太阳第25周峰年的契机，加强探索太阳，成果就是ASO-S卫星。简单地说，我国科研人员要把测量太阳的精密仪器在巧妙的时间控制中送到离太阳尽可能近的位置，力争实现我国太阳卫星探测领域的进一步突破。

挑战“国际首次”担当重任

ASO-S卫星拥有多个“国际首次”——国际上首次以“一磁两暴”（太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射）作为卫星的科学目标并配置相应的载荷组合；国际上首次在一颗卫星平台上对全日面矢量磁场、太阳耀斑非热辐射成像，同时观测日冕抛射物质的日面形成和近日冕传播；国际上首次在莱曼阿尔法波段实现全日面和近日冕同时观测。

据公开资料显示，ASO-S卫星的科学目标是研究耀斑与日冕抛射物质的相互关系和形成规律；研究耀斑爆发、日冕抛射物质与太阳磁场之间的因果关系；研究太阳爆发能量的传输机制及动力学特征；探索太阳爆发，为我国空间天气预报提供支持。

具体来说，ASO-S卫星的首要任务是对“一磁两暴”进行重点科学数据采集。

太阳磁场辐射范围很大，涉及太阳内部、表面及太阳周围空域的很多复杂动态变化，是学界长期关注的要点。

太阳耀斑和日冕物质抛射对于日常生活有很大影响。尽管太阳距离地球约1.5亿千米，但太阳耀斑和日冕物质抛射产生的磁云会裹挟着大量带电高能粒子，直奔地球而来，对地球环境，尤其是与人们生活息息相关的电磁环境，造成严重破坏。

2003年万圣节期间，太阳“不甘寂寞”，充当了一次“捣蛋鬼”的角色，结结实实给地球捣了一次乱，使欧美的GOES、ACE、SOHO和 WIND等一系列科学卫星都遭受到不同程度的损害，导致全球卫星通信受到干扰，GPS全球定位系统受到影响，定位精度出现了偏差，致使地面和空间一些需要即时通信和定位的交通系统遭到不同程度瘫痪。

今年7月20日左右，一波太阳风暴袭击了地球，导致卫星运行和无线电信号受到一定干扰。

▲ 日冕物质抛射

为了避免人类生存环境遭受影响，研究和预报太阳的爆发活动成了必不可少的。据计算，一旦发生太阳耀斑、日冕物质抛射等爆发活动，科学家可以至少提前40个小时得到信息，从而及时做出相关的防护举措，以避免对人类生存环境造成破坏。这正是先进天基太阳天文台卫星的使命。

当前太阳研究最大的难题就是预测日冕物质抛射并探讨其机理。这类研究只有少量近代观测数据为支撑。至于日冕物质抛射引发的太阳近表面磁场变化研究，还停留在摸索阶段。所以，人类迫切需要更多深层数据，ASO-S卫星就肩负起观测太阳耀斑和日冕物质抛射形成规律的重任。

ASO-S卫星的第二个任务是对全日面的太阳矢量磁场进行数据记录，帮助人类研究太阳耀斑爆发、日冕物质抛射与太阳磁场的因果关系。另外，ASO-S卫星将观测太阳不同层次对于太阳物质爆发的响应机理，研究日冕物质抛射和太阳风暴的传输机制和动力学特征。

总体来看，ASO-S卫星的任务目标非常前沿，也是学界亟待解决的问题。举例来说，通过深入研究太阳风暴，科学家可以改进并完善覆盖空天的天气预报系统，使航天员在第一时间获取太阳风暴信息，在轨工作生活更安全。

▲ ASO-S卫星运行示意图

▲ ASO-S卫星配置示意图

为获得尽可能多的观测时间，ASO-S卫星采用了高度720千米左右、周期约99分钟的太阳同步晨昏轨道。这样的轨道仅在每年5月中旬到8月内存在阴影，而且每轨最长阴影时间不超过18分钟。

太阳活动呈周期性变化，周期平均为11年，太阳黑子是太阳活动的重要标志。在一个活动周期开始后，太阳黑子数量逐渐增多，太阳活动加剧，太阳黑子数量达到最多的年份，称为太阳峰年。太阳活动第25周峰年预计在2024年到2025年左右出现。

为此，ASO-S卫星计划以太阳活动第25周峰年作为契机，详细记录该时间段的太阳风暴。科学家在研究太阳活动规律的同时，及时预报太阳暴发对人类的影响，以造福全人类。

“法宝”打造“六边形战士”

为担当重任，ASO-S卫星配备了不少“法宝”。

首先是全日面矢量测像仪，重点用于太阳光球层的矢量磁场成像观测。它有望贡献准确数据，研究太阳磁场的发生、发展和相互作用，更好地揭示日冕物质抛射的触发机制、传动机制和释放机制。

该仪器使用了图像堆叠技术，图像在30秒内会稳定在一个极小的区间内。相比美英日合作的日出号卫星观测设备，它具有更大的视场、更高的观测效率和时间分辨率；对比美国SDO卫星和美欧SOHO卫星设备，它的观测模式简单，磁场测量灵敏度高。

▲ ASO-S卫星构造简图

总之，全日面矢量测像仪可以帮助人类更好地理解空间天气中磁能的传输、积累和释放问题，深入探究太阳耀斑和日冕物质抛射过程中的能量积累、触发、释放和传输机制，为空间天气预报提供观测基础。据悉，这项技术意味着我国在高精度光电成像系统上实现了壁垒突破。

ASO-S卫星的第二件“法宝”是太阳硬X射线成像仪，将对太阳耀斑和太阳表面进行整体观测和数据收集。太阳耀斑爆发时，相关数据与X射线的流量形成正相关，提供了侦测太阳耀斑的“捷径”。

你可能担心：X射线穿透能力很强，可以穿过一般的反射镜和透镜，怎么聚焦成像呢？

原来太阳硬X射线成像仪由3台结构独立的单机组成，类似相机中的镜头、CCD和控制系统，就像高科技复眼，不同光栅“镜筒”各司其职，有的擅长看大轮廓，有的擅长看小细节，综合起来，就是强大的观测阵列，能量探测范围广，空间分辨率高。对比国际同类仪器，探头数目要多，它配备了99个探测器，性能强大。

第三件“法宝”叫做莱曼阿尔法太阳望远镜，专注观测日冕层。莱曼阿尔法线是日面和日冕上观测到的最强紫外谱线，有助于研究太阳色球及日冕结构（如耀斑、暗条、日冕物质抛射等）的辐射。

目前国外探日卫星搭载的某些仪器也能对太阳进行同波段全局流量监测，但无法全面开展日面和日冕的成像观测，科研人员不能了解太阳活动在相关特定波段的变化。

相比之下，莱曼阿尔法太阳望远镜具有特殊紫外和可见光双波段观测能力，成像信息更完整，分辨率更高，能帮助科学研究更专注于某个方向，消除其他波长的干扰，提供了新的观测波段“窗口”。

这些“法宝”作用极大。以空间天气监测预警为例，科研人员可以通过全日面矢量磁像仪的磁场数据分析太阳耀斑发生的概率；通过莱曼阿尔法太阳望远镜的数据研究耀斑与日冕物质抛射的关系；通过硬X射线成像仪对日冕物质抛射的观测，预测其到达地球的时间和影响，以便相关部门及时采取应对措施。

更重要的是，ASO-S卫星将为国际太阳物理学研究提供关键数据——太阳矢量磁场、视向速度、莱曼阿尔法全日面及内日冕图像、硬X射线流量、能谱和成像数据等，因此也被科研人员称为“六边形战士”。

据了解，ASO-S卫星投入使用后，每天将产生大约500GB探测数据，获取的全部科学数据和分析软件将面向全球用户开放共享，共同实现科学目标，造福人类。