羲和号牛刀小试,我们为何要在太空看太阳?

作者:李会超,头图来自:视觉中国

10月14日,我国第一颗太阳探测卫星“羲和”号成功发射升空,使我国的太阳物理研究进入了空间观测的新时代。

在不受大气层遮挡的太空中观测太阳,既能获得丰富的科学产出,又有空间天气监测预报的现实需求。国际上的太阳空间探测开始于上世纪六十年代,在上世纪九十年代中叶迎来一个高潮,在过去的几年中又有长足的发展。迄今为止,大部分探测任务都由美国开展或主导,欧洲各国也是重要的参与方。从上世纪八十年代到本世纪初,日本通过Hinotori、Yohkoh、Hinode三个太阳探测卫星任务的开展,在太阳的空间探测特别是X射线波段的探测上占有了一席之地。

羲和号牛刀小试,我们为何要在太空看太阳?

(厂房中的羲和号卫星)

早在上世纪七十年代末,我国就曾经提出过“天文卫星1号”太阳探测卫星计划,并进行了预研工作,并不晚于日本。但由于种种原因“天文卫星1号”和后续的其他太阳探测计划均未能实施。羲和号的上天和后续实施的其他任务,有望使我国在这一领域的空白得到填补,获得原创性的科学发现。

一、为何要在太空看太阳

炎炎夏日,人们往往要采取各类防晒措施保护自己的皮肤不被晒黑晒伤。透明的大气层看起来并没有阻挡太阳耀眼的光芒,但在天文学家的眼中,大气层却给天文学的全面研究带来了不少阻碍。除了人肉眼可以感知的可见光波段外,太阳也在gamma、X射线和紫外等能能量更高的波段向外发射电磁波,而这些电磁波会被大气层吸收,无法到达地面。对于人类的健康,大气层对这些高能辐射的阻挡当然是一件好事。但对于太阳物理研究来说,却无法在地面上对这些波段波段的信息开展观测。突破大气层的限制,得到整个电磁波谱的完整观测,一直是太阳物理学家的希望。

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(美国“太阳动力学天文台”在不同波段拍摄的太阳图像的拼接图。由于大气层的遮挡,这些波段大部分都无法在地面上开展观测。)

由于其他恒星与我们的距离过于遥远,太阳是唯一一颗可以进行高分辨率观测的恒星,我们可以通过研究太阳建立对恒星表面和大气中各类现象的认识,把相关的规律推广到天文学的其他研究领域中。例如,在探讨行星的宜居性时,一个关键的因素是行星围绕公转的恒星是否会爆发过于强烈的耀斑。通过对太阳耀斑的研究,我们已经知道耀斑爆发时对于生物体有害的电磁辐射量会发生剧增,而如果其他恒星上的耀斑频繁又过于强烈,其附近的行星很难有我们已知形式的生物存活。 

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(在极紫外波段观测到的一次太阳耀斑爆发。最猛烈的耀斑爆发释放的能量大致相当于数千颗氢弹同时爆炸。)

同时,太阳上的爆发也会对地球附近的空间天气状况产生影响。强烈的太阳爆发会增强太空中的辐射剂量,宇航员在这个时期不能出舱活动,甚至要转移到防辐射能力较强的舱段中避免接收到过量的辐射。卫星需要根据情况调整运行模式,避免高能粒子和表面充放电造成卫星运行事故。2001年中美南海撞机事件中,我搜救舰队的通信一度中断,后经分析,中断的原因是当时爆发的太阳风暴使电离层的性质发生了强烈变化,短波信号传输因此受到影响。在阿富汗战争中,一支美军部队因太阳爆发引起的通信中断,未能收到其他友军单位发来的敌情变化信息,误入当地武装人员的伏击圈,遭受重大伤亡。在太空中对太阳的监视不受日出日落和天气变化的影响,对空间天气的变化进行预报预警,对保障各类技术系统的平稳安全运行十分必要。 

二、我国曲折的太阳空间探测之路

在上世纪七十年代后期,我国的太阳物理学家提出了“天文卫星一号”计划,希望在X射线和其他波段对太阳开展观测。到1983年,卫星计划使用的部分科学载荷已经完成了研制,但由于当时国家航天计划的调整,“天文卫星一号”最终未能发射

到了上世纪九十年代,我国科学家又提出的“空间太阳望远镜(SST)”计划,主载荷时一架口径为1米的光学望远镜,还能在极紫外、射电等频段对太阳进行观测。在经历了一系列预先研究后,这项计划在2011年被列入了国家深空探测计划的一部分。然而,由于我国的深空探测从去年天问一号发射开始才真正启动,这个计划也一直处于等待正式立项的过程中。 

21世纪初提出的夸父计划中,计划将一颗卫星(夸父A星)部署在日地第一拉格朗日点,可以不间断的在地球之前的位置监视太阳。这颗卫星计划由我国主导、多个国际合作伙伴共同完成。然而,由于参与该项目的加拿大航天局和欧洲空间局都遇到了经费上的困难,本来为夸父计划安排的经费预算无法落实,导致夸父计划未能按照预定的计划开展。十一五末期提出的中法合作的“太阳爆发探测小卫星”(SMESE)计划也同样因法国方面项目安排上的原因而取消

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(夸父计划中三颗卫星,夸父A用于监视太阳并测量地球附近的太阳风情况,两颗夸父B卫星用于探测地球系统对太阳风的响应变化。)

在同一时期,国际上的太阳空间观测如火如荼。在八十年代,单颗卫星的观测功能还相对单一,观测持续时间也相对有限。而从九十年代中叶开始,以美欧的SOHO、ACE、Ulysses等一系列太阳观测卫星为标志,单颗卫星已经可以携带多达十多种的科学载荷,成为太空中的综合观测平台,同时给出关于太阳活动的多波段、多种类的信息,还实现了对太阳的不间断观测。而到了二十一世纪,STEREO、SDO、Parker Solar Probe、Solar Orbiter等卫星,则推动着太阳观测走向立体化。

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(美国、欧洲和日本共同构成的太阳、日球层和地球磁层观测卫星体系)

三、羲和号之后,还有太阳的立体探测

客观而言,由于我国的空间太阳探测计划长期未能实施,我国的太阳空间探测离国际主流水平还有较大差距,甚至不及我们的近邻日本。我国的“天文卫星一号”计划在科学水平和提出时间上,都与日本的Hiotori相当。但“天文卫星一号”的计划未能变成现实,但Hinotori却在1981年就成功发射升空。日本后续又实施了Yohkoh和Hinode两个太阳探测卫星计划。虽然这三个卫星的规模比SOHO这样的综合性观测卫星小,但它们专精于X波段的太阳观测,任务时间也衔接的较好,使得日本在太阳观测领获得了丰富的技术经验和科学产出。 

以往,我国航天任务长期存在重应用、轻科学的现象。大部分卫星任务或是为了试验突破新的工程技术,或是实现与实际应用联系紧密的某种功能。例如,同样是使用遥感设备在太空中开展观测,我国的气象卫星从上世纪九十年代开始至今,已经获得了长足的发展,形成了极轨的风云一号、风云三号和静止轨道的风云二号、风云四号两个卫星家族,相关技术水平也与国际主流水平相当,已被列入国际气象业务卫星序列。而神舟、北斗、高分等空间载人、导航、遥感系统的建设,也一直如火如荼的开展。与此形成对比的是,除了也带有技术试验性质的嫦娥工程外,我国在其他科学领域的空间探测任务开展的很少。 

在过去的一段时间里,在我国综合国力只能有限支撑航天活动开展的情况下,优先支持与国计民生和实用航天技术相关的任务,也许是无奈之下的理性选择。在没有自主卫星数据的情况下,我国太阳物理学家长期使用国外开放的卫星数据开展研究,也取得了丰富的成果,打下了良好的研究基础。

然而,由于指导科学卫星研制的总原则——科学目标——是由国外科学家提出并实施的,使用这些数据的研究也不得不一直跟随在别人指出的大方向上进行,很难获得根本性的原创成果。而最新的科学卫星,其科学数据往往要在相关参与单位分析完成之后,才会向其他研究者公开。我国科学家拿不到最“新鲜”的数据,也就无法获得最前沿的科学发现。

同时,从空间天气预报的应用需求来看,如果美欧在特殊时期采用技术手段,限制甚至中断相关卫星的数据发布,我国只能依靠地面设备对太阳实施有限度的遥感监测,而对太空中太阳风的实地测量数据则完全无从获取,空间天气的监测、预警和预报工作将受到严重影响,进而威胁到航天、通信、导航等各类技术系统的正常运行。 

羲和号牛刀小试,我们为何要在太空看太阳?

(即将在明年发射的先进天基太阳天文台卫星)

可喜的是,在国家综合国力和整体科技水平显著提升的大背景下,中国科学院空间科学先导计划实施和“天问”系列深空探测计划开始实施,这一现状正在得到改变。“羲和”号只搭载了对太阳H-alpha谱线的探测仪器,且同时还带有一定的技术试验性质,可以视为我国空间太阳探索的“牛刀小试”。

预计在明年,“先进天基太阳天文台”将发射升空。这颗太阳探测卫星带有三台科学仪器,可以综合获取太阳磁场、等离子体和高能粒子的观测信息,实现对太阳爆发的综合观测。

未来,中国科学家们还提出了利用第四、第五日地拉格朗日点和飞跃日球层南北极的卫星观测计划,开展对太阳多角度的综合观测。可预见的是,我国的太阳空间探测在经历了几十年曲折的发展后,即将迎来一个异彩纷呈的时期。

作者:李会超

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