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图为“羲和号”效果图
中国航天科技集团八院供图
制图：蔡华伟
成功在轨运行10个月后，我国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”的科学探测和卫星技术成果今天正式公布。从“羲和号”上“看”太阳，观测到了什么？这些科学探测成果，对于人类认识太阳有哪些新贡献？后续太阳探测活动，还将如何开展？
相当于给太阳低层大气做CT扫描
“羲和号”于2021年10月14日发射升空，运行于平均高度为517公里的太阳同步轨道。作为首位太阳专属“摄影师”，“羲和号”的发射，意味着我国实现太阳空间探测“零的突破”。
“在科学探测方面，‘羲和号’发射后成功实现了两个首次，即国际首次获得空间太阳Hα（氢阿尔法）波段光谱扫描成像以及国际首次在轨获取太阳Hα谱线、Si I（中性硅原子）谱线和Fe I（中性铁原子）谱线的精细结构。”国家高分辨率对地观测系统总设计师兼副总指挥、国家航天局对地观测与数据中心主任赵坚介绍。
“羲和号”卫星首席科学家、南京大学教授丁明德告诉记者，Hα谱线是太阳活动在太阳低层大气中响应最强的谱线。对这条谱线开展探测，就可以同时获得光球层和色球层的活动信息，大大提高了我们对太阳爆发物理机制的认知。
“以前对于Hα谱线的探测只能在地球上进行，受到大气干扰，探测数据经常不连续不稳定。”赵坚介绍，“羲和号”的主要科学载荷为太阳Hα成像光谱仪，通过光谱扫描成像，分辨率达到了0.0024纳米，比地面滤光器的分辨率提高了约10倍，达到了国际先进水平。每张光谱扫描图像实际上都包含了300多张照片，分别对应了光球层和色球层不同高度处的太阳图像，因此相当于给太阳低层大气做CT扫描。而每一张“CT图”上，又反映了日面上近1600万个点的信息。
除了太阳Hα谱线，“羲和号”还同时获得了Si I谱线和Fe I谱线。尤其是Si I谱线，以往在地面观测时被地球大气的水分子谱线掩盖，“羲和号”在空间直接观测到了Si I完整的谱线轮廓，这是国际上的第一次。通过三条谱线的研究，结合“羲和号”获得的全日面色球和光球的多普勒速度图，可以反演计算出太阳大气的温度、密度、速度，从而帮助我们深入研究太阳的大气结构，了解太阳爆发活动的触发原因和传播过程，更好地开展空间天气预报，保障人类生命安全。
专家表示，“羲和号”卫星在轨开展的相关试验，是国际上第一次在太空进行Hα谱线研究，目前已经获得了2项太阳探测国际科学成果，显著提高了我国在太阳物理领域的国际影响力。
非接触式磁浮卫星平台让拍照更准、更稳
“羲和号”在新型卫星技术试验方面也实现了多个首次，如国际首次实现了主从协同非接触“双超”（超高指向精度、超高稳定度）卫星平台技术在轨性能验证及工程应用；实现了国际首台太阳空间Hα成像光谱仪在轨应用；实现了国际首台原子鉴频太阳测速导航仪在轨验证等。
“羲和号”卫星系统总指挥、中国航天科技集团八院科技委常委陈建新表示，要在相距太阳1.5亿公里远的地球附近对太阳“明察秋毫”，就对相机的指向精度和稳定度提出了更高的要求。“羲和号”卫星在国际首次采用基于“动静隔离、主从协同”理念的非接触式磁浮卫星平台，就像给相机装上了高精尖的“云台”，让相机对得准、拍得稳。
“在太空中，卫星载荷哪怕一次微小振动，都会让成像效果差之毫厘、谬以千里。”陈建新介绍，“双超”卫星平台采用磁浮控制技术，将平台与载荷的物理接触彻底隔绝，确保载荷成像不受平台扰动的影响，将我国卫星平台的姿态控制水平提升了1至2个数量级，达到了国际先进水平。
此外，“羲和号”还在轨验证了舱间无线能源传输、激光通信、无线通信等多项卫星平台新技术。
赵坚表示，随着我国航天产业的不断发展，对地观测、空间科学探测等各类航天任务对高性能卫星平台的需求越来越迫切，尤其亟须发展具有超高指向精度、超高稳定度指标的卫星平台。“‘羲和号’高性能技术卫星平台在轨试验，是世界上首次将磁浮技术在航天器上进行工程应用，大幅提升了我国空间观测技术水平。”
据介绍，未来“双超”平台技术将在高分辨率遥感、太阳立体探测、系外行星发现等新一代航天任务中得到推广应用，推动我国空间技术的跨越式发展。
观测到近百个太阳爆发活动，数据向全球开放共享
目前，“羲和号”每天都在按照既定计划开展科学观测，已经观测到了近百个太阳爆发活动，相关研究工作正在开展。
赵坚介绍，我国在太阳观测领域发表论文数量已居世界第二位，但之前使用的数据均来自国外卫星数据。“羲和号”发射成功后，国家航天局牵头成立了卫星数据科学委员会，制定了数据政策，供国内外科学家研究、使用、共享卫星探测数据，力争产生更多的原创性科学成果，为人类科学事业做出中国贡献。目前，“羲和号”的科学数据已向全球开放共享。
“太阳爆发产生大量带电高能粒子，对地球电磁环境造成严重破坏，其中尤以耀斑和日冕物质抛射对地球电磁环境影响最为显著。这些太阳活动干扰通信和导航、威胁航天员的健康，甚至毁坏航天器，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。”赵坚表示，太阳活动周期约11年，当前正处于第二十五个太阳活动周期，全世界又进入太阳研究新的高峰期。我国作为航天大国，及时开展太阳探测活动十分必要。
自上世纪60年代以来，全世界已发射了70多颗太阳观测卫星，聚焦于太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射的观测研究。未来5年，国外至少将发射5颗太阳探测卫星。
据介绍，今年我国还将发射先进天基太阳天文台卫星，以“一磁两暴”为科学目标，对太阳耀斑、日冕物质抛射和全日面矢量磁场开展观测，为预报严重影响人类正常生活的空间灾害性天气提供支持。
此外，我国正在论证后续太阳探测发展计划，科学家们希望按照在黄道面内多视角探测、大倾角太阳极区探测和太阳抵近观测“三步走”实施，由易到难，逐步深入，进一步了解太阳的构造，确定太阳活动的三维结构，掌握机理和活动规律，为人类科学事业的发展贡献中国力量。（记者 冯华）