中科院邀网友给这颗观测卫星起个昵称!它的任务很神秘(2)

2022-07-19 16:38  北京日报

太阳对地球有巨大影响

努力实现"空间天气预报"

从20世纪60年代起至今,全球已有几十颗太阳观测卫星升空,以便摸清太阳的脾气,了解太阳磁场中蕴藏的能量以及该能量对地球的影响,实现空间天气预报。这不仅对认识宇宙有重大意义,而且可为有效防护太阳的危害提供可靠的依据。

1962年3月,美国发射了世界第一颗太阳观测卫星"轨道太阳观测台-1"。1962年至1975年,美国共发射了8颗"轨道太阳观测台",主要测量太阳X射线、γ射线、预报太阳耀斑,为载人航天任务提供空间天气基本数据。1963年至1976年,美国发射了11颗"太阳辐射卫星",在11年的太阳活动周期内监测和预报太阳耀斑事件。此后,美国又发射了"太阳峰年卫星"、"太阳-磁层探测者"等一系列太阳观测卫星。同时,其他国家也发射了一些太阳观测卫星。

另外,20世纪60年代至90年代,美国与欧洲联合开发的"太阳神"、"尤利塞斯"等航天器,进入到日心轨道对太阳进行了观测。第一个进入拉格朗日L1点(在此处航天器可以获得不间断的太阳观测视野,是太阳观测卫星的理想轨道位置)观测太阳的航天器是美国1978年发射的国际日地探测者-3。接着,美国的"风"和欧洲的"太阳和日球层观测台"也进入到拉格朗日L1点观测太阳。此后,太阳观测卫星发射进入低潮,"哈勃空间望远镜"等非太阳观测卫星受宠。

近年来科学家们发现,太阳对地球气候和空间天气影响越来越巨大,因此一些国家又重新开启了太阳观测卫星的研制和发射。

2006年9月23日发射的太阳-B(又称"日出")卫星,其上装有日本与美国和英国联合研制的太阳光学望远镜、太阳X射线望远镜和远紫外成像光谱仪共3台科学观测仪器。依靠这"3只眼",太阳-B重点研究了太阳磁场和日冕之间的相互作用,从而加深了对太阳大气动力机制等方面的了解,获取了更多有关太阳如何向外抛射高能粒子等信息。

2006年10月25日,美国发射的一对孪生太阳观测卫星--"日地关系观测台"升空。每个"日地关系观测台"装有16台共4组探测仪器,即"日地关系日冕与日光层探测仪"、"粒子与日冕物质抛射原位测量仪"、"等离子体与超灼热粒子成分分析仪"和"行星际射电暴追踪仪"。这2颗卫星主要利用在太空中相互错开的优越定位"注视"太阳,首次为人类展示了太阳黑子爆发时的全景三维图像,并前所未有地展现了日地之间能量流动的独特景象,帮助科学家研究了太阳周边环境以及太阳活动对整个太阳系造成的影响,以及日冕的产生、活动及其喷发带来的后果,更精准地观测了太阳爆发。"日地关系观测台"第一次从地球轨道传回太阳爆发三维图像,有助于天文学家准确预测太阳风暴对航天员和通信卫星所造成的影响,极大地增进了对太阳爆发的了解。

2010年2月9日,美国"太阳动力学观测台"升空,运行在地球同步轨道,以确保几乎不间断地观察太阳磁场、喷发的等离子体和众多其他现象,每天能收集到的有关这些现象远比现有卫星收集的信息要多,从而能更准确、及时地预测空间天气。

中国新星致力揭秘"一磁两暴"

2021年10月14日,我国成功发射了首颗太阳观测卫星"羲和号"。其主要科学载荷是带有Hα滤光片的太阳Hα成像光谱仪,在世界上首次实现对太阳Hα波段的光谱成像观测。

太阳Hα谱线是太阳爆发时响应最强的色球谱线,能够直接反映太阳爆发的源区特征。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,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,显著提高我国在太阳物理领域的国际影响力。

该太阳观测卫星可在同一时间得到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,为太阳爆发的研究提供准确可靠的数据。

但要实现高光谱分辨率成像,要求在成像过程中探测载荷具有极高的指向精度和稳定度,所以对该卫星平台的性能提出了极大的挑战。为此,"羲和号"采用了超高指向精度、超高稳定度平台 (简称"双超"卫星平台)设计,首次在轨应用了磁浮技术,实现了平台舱、载荷舱可分离式构型设计,从而使载荷舱具有超高精度指向控制和超高稳定度,较现有水平提升1至2个数量级,这对我国卫星空间科学探测及卫星技术发展具有重要意义。

对地球和人类造成影响的黑子、太阳耀斑抑或日冕物质抛射,产生的根源都是太阳磁场。拟于2022年10月发射的我国第二颗太阳观测卫星"先进天基太阳天文台",其主要科学目标就是揭示太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射("一磁两暴")的起源、相互作用和彼此关联。

"先进天基太阳天文台"重888千克,运行在高720千米的太阳同步轨道上,能24小时对太阳进行连续不断地观测,设计寿命至少4年,因此,可在太阳第25活动周的峰年期间,对太阳上两类最剧烈的爆发现象--太阳耀斑和日冕物质抛射,以及全日面矢量磁场开展同时观测,也能为灾害性空间天气预报提供支持。该卫星入轨后,每天将产生大约500GB的观测数据,且全部科学数据和分析软件将面向全球用户开放共享,共同实现其科学目标。

为了测量太阳磁场、观测日冕物质抛射和太阳耀斑,"先进天基太阳天文台"携带3台科学观测仪器。其中的莱曼阿尔法太阳望远镜工作在一个国际上最新的观测波段窗口,用于在紫外莱曼阿尔法与可见光波段对日面和内日冕进行成像,观测日冕物质抛射、太阳耀斑以及暗条等剧烈的太阳大气爆发活动,为空间天气预报提供内日冕的观测数据支持,填补国际上对该波段内日冕观测的空白,揭开更多关于太阳爆发的谜底;太阳硬X射线成像仪拥有国际上同类望远镜中最多的99个探测器,用于观测太阳耀斑爆发的非热现象;全日面矢量磁像仪的时间分辨率相对较高,用于观测太阳磁场,研究太阳耀斑爆发和日冕物质抛射与太阳磁场之间的因果关系。

先进天基太阳天文台"携带三台有效载荷,用于测量太阳磁场,以及观测日冕物质抛射和太阳耀斑