“夸父一号”如何“逐日”

2022-10-10 04:45来源: 光明网-《光明日报》

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  光明日报记者 齐芳

  夸父逐日,是无数中国人自幼耳熟能详的神话。今天,神话正在变成现实——中国综合性太阳探测卫星先进天基太阳天文台“夸父一号”正在试图揭开太阳的神秘面纱!

  “自20世纪60年代以来,世界空间大国已经先后发射了六七十颗太阳探测相关卫星,而我国在太阳探测专用卫星方面一直缺席。虽然我国太阳物理科学论文排名世界前列,但我们真不好意思说自己在太阳物理方面已经走在国际前沿。”“夸父一号”首席科学家、中国科学院紫金山天文台研究员甘为群说,“如今,我们可以自豪地说‘夸父一号’将实现我国太阳卫星探测跨越式突破!我们将为太阳研究作出更多原创性贡献!”

“夸父一号”如何“逐日”

火箭发射图片 酒泉卫星发射中心供图

  三个“国际首次”瞄准太阳“一磁两暴”

  大约46亿年前,在距离银河系中心约2.6万光年之处的螺旋臂上,一团分子云开始在自身的引力作用下坍缩,逐渐形成了太阳。太阳是我们的“母星”,地球上的一切生产生活都与太阳息息相关,但它偶尔爆发的“小脾气”也会给我们带来阻碍——太阳风暴将规模巨大的喷射的物质和能量“吹”到近地空间,可引起地球磁层、电离层、中高层大气等地球空间环境强烈扰动,从而影响人类活动。

  太阳活动呈周期性变化,周期平均为11年,太阳黑子数量达到最多的年份,称为太阳活动峰年,是太阳活动最剧烈的时候。据科学家们预测,2024年到2025年左右,将是太阳活动的第25周峰年。甘为群说:“我们选择在这个时间发射‘夸父一号’,就是为了更好地了解太阳。它的设计寿命不少于4年,可以基本覆盖太阳峰年的极大期,这对我们的科学研究、实现卫星科学目标是非常有利的。”

  “夸父一号”的科学目标是“一磁两暴”。甘为群说:“这个词是专门为这颗卫星提出来的,‘磁’就是磁场,‘两暴’就是太阳上两类最剧烈的爆发现象——耀斑和日冕物质抛射。我们就是要研究这三者之间的关系,即磁场与耀斑的关系,磁场与日冕物质抛射的关系,日冕物质抛射与耀斑的关系;研究它们的形成、演化、相互作用和可能存在的因果关联,同时为空间天气预警提供支持。”

  为了实现这个目标,从理念提出到有效载荷研制,再到系统集成,“夸父一号”作出了很多原始创新。甘为群将其总结为三个国际首次:国际上首次以“一磁两暴”作为卫星的科学目标并且配置相应的载荷组合;国际上首次在一颗近地卫星上,对全日面矢量磁场、太阳耀斑非热辐射成像、日冕物质抛射的日面形成和近日冕传播同时进行观测;国际上首次在莱曼阿尔法谱线波段实现全日面和近日冕无缝同时成像观测。

  三大载荷“无间断”观测太阳

  “夸父一号”重量约859公斤,入轨后的尺寸是2105毫米×9184毫米×2456毫米。在这样的空间里,科学家们妥善安置了三大载荷,让“夸父一号”本领高强:全日面矢量磁像仪(FMG)、莱曼阿尔法太阳望远镜(LST)和硬X射线成像仪(HXI),它们分别观测太阳磁场、日冕物质抛射和太阳耀斑。

  “每一台仪器都有自己的特色。”“夸父一号”卫星系统总师,中国科学院微小卫星创新研究院研究员诸成介绍:

  ——全日面矢量磁像仪,追踪太阳活动的源头。FMG的测量目标是太阳光球磁场,其获得的矢量磁场数据不仅可以帮助我们深入理解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,也可以帮助我们更准确地研究太阳爆发活动的预报模型,为更精确的空间天气预报提供观测基础。

  ——莱曼阿尔法太阳望远镜,太阳观测的新窗口。LST载荷由三台仪器组成,其将对太阳全日面和近日冕进行莱曼阿尔法和白光波段的成像观测,其主要科学任务是观测日冕物质抛射和耀斑等剧烈的太阳爆发活动,并为空间天气预报提供内日冕的观测数据支持。LST载荷在莱曼阿尔法波段的观测将填补国际上对该波段从全日面到内日冕连续观测的空白。

  ——硬X射线成像仪,窥探宁静面纱下的风暴。HXI由3台结构上独立的单机组成:准直器、量能器以及电控箱,它们可分别类比于相机中的镜头、CCD和控制系统。HXI的主要科学目标是在30keV~200keV能量段对太阳耀斑的硬X射线辐射进行能谱和成像观测,是已知唯一一个在太阳活动第25周峰年期间提供地球视角观测的太阳高能成像仪器,对研究耀斑非热辐射源的形成和演化机制以及粒子加速过程具有极为重要的意义。

  “夸父一号”的轨道选择也有“门道”。诸成说:“选取720公里高的晨昏太阳同步轨道,为硬X射线成像仪提供粒子背景比较低的良好环境,同时有利于降低大气散射杂光对莱曼阿尔法太阳望远镜的成像干扰。这个轨道全年只有约3个月存在较短地影,其他时间是全日照,可以连续长时间进行太阳观测。”

  在太阳物理研究中,作出更多原创性重大贡献

  “夸父一号”每天可以为科学家提供500GB科学数据,供科学家进行太阳物理学研究。“夸父一号”科学应用系统总师、中国科学院紫金山天文台研究员黎辉说:“‘夸父一号’卫星发射之后,将经过一段时间的在轨测试。测试正常后,会按照国际惯例,对全世界相关领域的科研工作者,实时免费开放。”

  国际上已有几十颗专门或相关的太阳探测卫星了,近年来,我国发射了中国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”,美国也发射了“帕克号”太阳探测器,中国还有必要发射一个全新的太阳探测卫星吗?

  甘为群的答案是:当然需要!

  甘为群解释,“帕克号”是飞到太阳附近进行观测的卫星,“这也意味着会受到非常强烈的热辐射,不能对太阳进行直接的成像观测。所以,‘帕克号’只能局地探测太阳大气中的粒子、磁场和太阳风等太阳环境。而‘夸父一号’是直接‘看’太阳,用遥测遥感的手段观测太阳,对太阳进行成像,与‘帕克号’在科学目标上是不一致的,可以互为补充。”

  而“羲和号”则是一颗科学试验卫星,主要目标是从技术上验证一种卫星平台——“双超”平台。甘为群介绍,“夸父一号”这颗卫星是专门为太阳观测而提出的,是完全以科学目标为牵引的空间科学卫星计划。所以这颗卫星的提法是“空间科学卫星”,这跟“羲和”是不一样的。此外,“羲和号”和“夸父一号”在科学目标、观测对象、观测波段等方面均不相同。

  “据统计,2010年左右,中国在太阳物理领域发表论文的总量已经排在世界第二。但我们写论文所用的绝大部分观测数据都是来自国际上的太阳卫星。”甘为群说,“正是在这样的背景下,我们在2011年提出了先进天基太阳天文台卫星项目,如今,万事俱备,且看中国!”

  (光明日报北京10月9日电)

  《光明日报》( 2022年10月10日 09版)

[责任编辑: 邱晓琴 ]
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