ASO-S：中國人的“探日”天眼

          太陽發(fā)射出大量帶電高能粒子對地球電磁環(huán)境造成嚴重破壞，其中尤以太陽黑子、太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射對地球電磁環(huán)境影響最為顯著。         

          我們的ASO-S衛(wèi)星將攜帶3臺儀器，一個叫全日面矢量磁像儀，專門觀測太陽磁場；一個叫硬X射線成像儀，專門觀測太陽耀斑；一個叫萊曼阿爾法太陽望遠鏡，專門觀測日冕物質(zhì)拋射。         

          ——甘為群 ASO-S衛(wèi)星工程首席科學家、中國科學院紫金山天文臺研究員         在距離地球1.5億公里的太空中，有一顆時時刻刻都在發(fā)光發(fā)熱的巨大恒星，它散發(fā)著的耀眼光芒，穿透大氣，為蔚藍的地球帶來了光明與熱量，它便是太陽。         

          太陽，是與人類關系最密切的恒星，也是唯一一顆人類當前可以詳細研究的恒星，通過對太陽的詳細研究，我們能更深層次地了解太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射（一磁兩暴）。         

          “目前，我國第一顆綜合性太陽探測衛(wèi)星——先進天基太陽天文臺（ASO-S），即將進入正樣研制階段。”ASO-S衛(wèi)星工程首席科學家、中國科學院紫金山天文臺研究員甘為群告訴科技日報記者。         

          這意味著，衛(wèi)星的工程樣機研制已經(jīng)接近完成，再經(jīng)過1年左右的正樣研制，ASO-S有望于2022年發(fā)射升空，屆時將詳細記錄第二十五個太陽活動周的“太陽風暴”，并及時預報太陽爆發(fā)對地球的可能影響。         

          太陽一“發(fā)威”后果很嚴重         

          大約46億年前，在距離銀河系中心約2.6萬光年之處的螺旋臂上，一團分子云開始在自身的引力作用下坍縮，并逐漸形成了今天我們所熟悉的太陽。         從古至今，太陽引發(fā)了人類太多的思考，我們對這顆耀眼的恒星充滿了好奇。不過，人們最為關心的問題總是繞不開太陽對地球造成的影響。         

          盡管太陽與地球平均距離達1.5億公里，但一旦太陽“發(fā)威”，就會給地球帶來不可估量的后果。         

          2003年10月31日，太陽爆發(fā)了一次強磁暴，使歐美的GOES、ACE、SOHO、WIND等一系列科學衛(wèi)星都遭受了不同程度損害，導致全球衛(wèi)星通訊受到干擾，GPS全球定位系統(tǒng)受到影響，定位精度出現(xiàn)了偏差，致使地面和空間一些需要即時通訊和定位的交通系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的癱瘓。         

          究其原因，就是太陽發(fā)射出大量帶電高能粒子，對地球電磁環(huán)境造成嚴重破壞，其中尤以太陽黑子、耀斑和日冕物質(zhì)拋射對地球電磁環(huán)境影響最為顯著。         

          太陽黑子存在于太陽光球表面，是磁場的聚集之處，借助現(xiàn)代科技，科學家們觀測到太陽黑子的數(shù)量和位置每隔11年就會出現(xiàn)周期性的變化。         

          太陽耀斑則是一種強烈的輻射爆炸，是太陽系中最激烈的局地爆炸事件，它所輻射出的光的波長橫跨整個電磁波譜。         

          日冕物質(zhì)拋射則是太陽釋放能量的另一種形式，一次巨大的日冕物質(zhì)拋射可讓數(shù)十億噸的物質(zhì)短時間內(nèi)離開太陽。        

          “從自然科學的角度來說，太陽是一個非常好的天然物理實驗室，除了太陽內(nèi)部物理過程，對于太陽的表面、大氣、磁場、結(jié)構、波動、全波段輻射、等離子體、流體的規(guī)律等我們都可以進行觀測研究?！备蕿槿赫f道。         

           據(jù)計算，一旦發(fā)生日冕物質(zhì)拋射等爆發(fā)活動，科學家可以在它影響地球前至少40個小時以內(nèi)得到信息，從而及時做出防護，避免可能的破壞。         

          為天文學研究貢獻中國力量        

          自上世紀60年代以來，世界各國已經(jīng)先后發(fā)射了70多顆太陽探測衛(wèi)星。       

          2018年，備受矚目的美國帕克太陽探測器發(fā)射升空，它以前所未有的近距離對太陽進行觀測，并已經(jīng)獲取了相當?shù)某晒?        

          為什么要在空間進行太陽探測？甘為群解釋說，由于地球存在大氣層，在地面只能觀測到太陽可見光和有限的射電輻射，它們在寬廣的太陽輻射波譜中只占很小的一部分。而更多波段輻射，比如大部分紫外和紅外線、X射線和伽馬射線等高能輻射，在到達地面前就被地球大氣吸收掉了。         

          去年7月，我國首次火星探測任務“天問一號”探測器成功發(fā)射，時隔多月，嫦娥五號返回器在眾盼之下攜帶月球樣品安全著陸……近年來，我國“探月”“探火”工程逐步推進，不斷取得重大突破，我國“探日”工程也提上日程。         

          2016年4月28日，中國科學院空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項背景型號項目“先進天基太陽天文臺（ASO-S）”通過了由中國科學院國家空間科學中心組織的項目結(jié)題評審。之后經(jīng)過1年多的深化研究和綜合論證，ASO-S在2017年底終于獲得中國科學院批復工程立項。         

          早在1976年，我國就嘗試提出和實施太陽空間探測衛(wèi)星計劃，數(shù)十年過去，迄今我國仍沒有發(fā)射過一顆太陽探測專用衛(wèi)星。因此，中國第一顆綜合性太陽探測衛(wèi)星ASO-S受到了人們的密切關注。        “打造這顆衛(wèi)星的想法在上世紀90年代就已形成，之后經(jīng)過不斷修正完善，直到2011年中國科學院啟動空間科學先導專項，ASO-S才得以走上正軌，經(jīng)歷了空間科學衛(wèi)星項目的一套標準程序?！备蕿槿罕硎荆珹SO-S預估在2022年完成發(fā)射任務，隨后按照計劃進入720公里高的太陽同步軌道開始肩負起探索太陽的重任。        

          “在國際天文學中，我國的太陽物理研究論文總數(shù)已經(jīng)位居世界第二，但這些論文所使用的數(shù)據(jù)大都來自國外衛(wèi)星的觀測，我們?nèi)鄙僭瓌?chuàng)性貢獻。ASO-S上天后不僅可以擁有第一手數(shù)據(jù)，也將為國際天文學研究貢獻中國力量?！备蕿槿赫f。         

          中國“探日”衛(wèi)星攜帶3件“法寶”         

          與國際上之前的70多顆太陽探測衛(wèi)星相比，ASO-S衛(wèi)星最大的特點是要實現(xiàn) “一磁兩暴”的科學目標，即在一個衛(wèi)星平臺上同時觀測太陽磁場、太陽耀斑和日冕拋射，研究它們?nèi)咧g的關系。         

          為了觀測“一磁兩暴”，ASO-S將搭載3臺不同功能的太陽探測望遠鏡，它們的有機組合，是ASO-S的又一個大特色。        

          “我們的ASO-S衛(wèi)星將攜帶3臺儀器，一個叫全日面矢量磁像儀，專門觀測太陽磁場；一個叫硬X射線成像儀，專門觀測太陽耀斑；一個叫萊曼阿爾法太陽望遠鏡，專門觀測日冕物質(zhì)拋射?！备蕿槿赫f，除了3臺儀器的組合特色外，3臺儀器又各有一些自己的特色。比如全日面矢量磁像儀，其時間分辨率相對較高；硬X射線成像儀比國際同類儀器探頭數(shù)目要多，有99個探測器；萊曼阿爾法太陽望遠鏡則不僅能進行內(nèi)日冕觀測，同時萊曼阿爾法譜線本身又是一個新的觀測波段窗口。         

          在此之前，我國的“探日”衛(wèi)星屬于空白，沒有多少經(jīng)驗可循，關鍵技術的攻堅克難可謂“難比登天”。就拿硬X射線成像儀來說，需要攻克3項關鍵技術。以光柵的加工為例，硬X射線成像儀的99個探頭相當于一個個的小眼睛，這些小眼睛前面是由硬金屬加工的光柵構成的，X射線光子需要穿過光柵中的縫隙，而最窄的縫隙只有18微米，比頭發(fā)絲還要細。甘為群把制作過程比作加工一本書，首先要生產(chǎn)出帶有狹縫的“紙”，再嚴格控制好紙與紙之間的距離，黏成一本縫隙均勻的厚“書”。此外，還要綜合考慮熱脹冷縮、空間環(huán)境惡劣、經(jīng)歷發(fā)射過程等因素。         

          2021—2022年正處于第二十五個太陽活動周期的開始階段，太陽黑子將越來越多，太陽磁場也會越來越強，太陽的爆發(fā)會增加，預期在2025年前后達到峰值，ASO-S衛(wèi)星2022年發(fā)射應該是一個非常好的時機，能夠觀測到一個較為完整的太陽周期。         

          升空后，ASO-S衛(wèi)星將在距離地表720公里的太陽同步軌道運行，該軌道穿過地球的南極和北極，傾角在98度，這個角度能夠確保衛(wèi)星24小時連續(xù)不斷地觀測到太陽。ASO-S衛(wèi)星的預期在軌運行時間將不少于4年。