中国今年将首射太阳探测卫星 “探日时代”将到来
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中国今年将首射太阳探测卫星 “探日时代”将到来

2021年09月28日 10:11:29
来源:澎湃新闻

在第十三届中国国际航空航天博览会上,中国航天科技集团八院抓总研制的太阳双超卫星首次亮相。

澎湃新闻从中国航天科技集团八院获悉,太阳双超卫星计划在今年发射。作为中国首颗太阳探测卫星,卫星若发射成功,将标志中国正式进入“探日时代”。中国为何要开展空间太阳探测?开展光学波段探测难点在哪?

为何要开展空间太阳探测?

从“夸父追日”到“两小儿辩日”,无论是在神话里还是在现实生活中,从古至今,人类对太阳这个会发光的大球一直充满好奇。

中国科协全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩向澎湃新闻(www.thepaer.cn)介绍说,对太阳进行探测有两大意义:一是作为宇宙中目前唯一可以进行高空间分辨表面观测的恒星,而具有天体物理学上的重要性;二是由于人类依存于太阳,所以需要认识太阳的变化及对人类的影响。

太阳给人类带来光的同时也会带来一些不便甚至灾难。耀斑是太阳活动中最剧烈的事件,在几分钟内,一个大的耀斑要释放的能量要比最大地震所释放的多百万倍,能量超过几千个核弹同时爆炸的威力。

太阳的变化深刻地影响着地球上生命的生存。强耀斑和日冕物质抛射等太阳活动事件更是时刻影响着地球的空间环境,干扰通信和导航、威胁航天员的健康,甚至毁坏航天器。因此,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。

目前,中国已初步建立了地面太阳监测网,并在太阳光谱、太阳磁场领域取得了一定的成果,但空间探测仍属空白。开展空间太阳探测将有效服务于我国基础科学研究,带动相关高科技产业链发展,甚至在不远的将来引领国际太阳物理研究发展。

为何要开展光学波段探测,难点在哪?

由于地球大气对紫外和X射线等电磁波是不透明的,因此,历史上的空间太阳观测在资源有限、技术条件不足的情况下,其观测对象重点是太阳的高层大气(日冕及过渡区),而可见光等波段观测主要基于地面望远镜。但地面上的可见光波段观测会受到阴雨天气影响,无法做到连续观测,而且受到地球大气吸收、扰动等因素的影响,观测分辨率很低。因此,开展光学波段的空间观测是国际太阳物理研究领域必然的发展趋势。

太阳Hα谱线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,可以弥补当前空间望远镜在太阳低层大气(光球和色球)观测上的不足。利用高光谱成像技术,可以在同一时间得到Hα波段附近任意波长点的全日面图像,实现全天候、高时空分辨率、高光谱分辨率的太阳观测,可为太阳爆发的研究提供准确可靠的数据。而实现高光谱分辨率成像则要求成像过程中探测载荷具有极高的指向精度和稳定度,这对卫星平台的性能提出了极大的挑战。

正接受测试的美国“帕克”太阳探测器。

正接受测试的美国“帕克”太阳探测器。

当前全球空间太阳探测现状如何?

人类进入太空时代后,人类探测太阳也从地面扩展到太空。

20世纪60年代,美国发射多颗行星星际深空探测器,对太阳进行了探测。1960年3月,美国成功发射“先驱者”-5号探测器,该探测器进入了绕太阳运行的的椭圆轨道,测量了太阳风、粒子和行星际磁场,发现地球磁场向着太阳的一面会被太阳风压缩,而另一面则延伸到500万千米的地方。人类对日地行星际空间有了全新的认识。后面,美国还陆续发射了“先驱者”-6号、“先驱者”-9号等探测器,对太阳进行了探测,但这些探测器都不是专用的太阳探测器。

进入20世纪70年代,美欧日等航天国家或组织开始发射专用太阳探测卫星。具有代表性的探测器包括美国在1990年发射的“尤利西斯”探测器,首次实现了太阳极轨探测;1995年,美国和欧空局联合研制的“太阳和日球层天文台” 探测器(SOHO)成功发射,实现首次在日地拉格朗日L1点开展探测;2006年,美国成功发射“日地关系天文台”探测器(STEREO),该探测器采用双探测器绕日方式,首次实现了太阳立体探测。

2018年8月,美国成功发射“帕克”太阳探测器(Parker Solar Probe),这是人类首个将穿越日冕“触摸太阳”的探测器。“帕克”太阳探测器将第一次穿过太阳外层大气层日冕,在距离太阳表面大约9个太阳半径的地方——约600万千米,对太阳进行全方位探测,获取日冕、太阳风等方面的信息,具有重要意义。

2020 年2月,新的探测器——“太阳轨道器”(SO)发射成功。“太阳轨道器”项目由欧空局(ESA)牵头,美国宇航局参与并合作制造。该探测器将近距离观察太阳的一些前所未见的区域,比如太阳的两极计划,并近距离探测太阳风等离子体、高能粒子等。

当前,空间太阳探测正在向多波段、多视角、近距离、高时空分辨率的方向发展,空间太阳探测已成为推动太阳物理学科发展的主要动力。

中国即将发射的太阳双超卫星的主要科学载荷为太阳Hα成像光谱仪,将国际首次实现空间太阳Hα波段的光谱成像探测。通过对这条谱线的数据分析,可获得太阳爆发时大气温度、速度等物理量的变化,研究太阳爆发的动力学过程及物理机制,显著提高我国在太阳物理领域的国际影响力。同时,卫星采用超高指向精度、超高稳定度平台 (简称“双超”卫星平台)设计。通过采用平台舱、载荷舱可分离式设计理念,将实现载荷舱的超高精度指向控制,较现有水平提升1-2个数量级。