“夸父一號”如何“逐日”

夸父逐日，是無數(shù)中國人自幼耳熟能詳?shù)纳裨?。今天，神話正在變成現(xiàn)實——中國綜合性太陽探測衛(wèi)星先進天基太陽天文臺“夸父一號”正在試圖揭開太陽的神秘面紗！

“自20世紀60年代以來，世界空間大國已經(jīng)先后發(fā)射了六七十顆太陽探測相關衛(wèi)星，而我國在太陽探測專用衛(wèi)星方面一直缺席。雖然我國太陽物理科學論文排名世界前列，但我們真不好意思說自己在太陽物理方面已經(jīng)走在國際前沿。”“夸父一號”首席科學家、中國科學院紫金山天文臺研究員甘為群說，“如今，我們可以自豪地說‘夸父一號’將實現(xiàn)我國太陽衛(wèi)星探測跨越式突破！我們將為太陽研究作出更多原創(chuàng)性貢獻！”

火箭發(fā)射圖片 酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心供圖

三個“國際首次”瞄準太陽“一磁兩暴”

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，逐漸形成了太陽。太陽是我們的“母星”，地球上的一切生產(chǎn)生活都與太陽息息相關，但它偶爾爆發(fā)的“小脾氣”也會給我們帶來阻礙——太陽風暴將規(guī)模巨大的噴射的物質(zhì)和能量“吹”到近地空間，可引起地球磁層、電離層、中高層大氣等地球空間環(huán)境強烈擾動，從而影響人類活動。

太陽活動呈周期性變化，周期平均為11年，太陽黑子數(shù)量達到最多的年份，稱為太陽活動峰年，是太陽活動最劇烈的時候。據(jù)科學家們預測，2024年到2025年左右，將是太陽活動的第25周峰年。甘為群說：“我們選擇在這個時間發(fā)射‘夸父一號’，就是為了更好地了解太陽。它的設計壽命不少于4年，可以基本覆蓋太陽峰年的極大期，這對我們的科學研究、實現(xiàn)衛(wèi)星科學目標是非常有利的。”

“夸父一號”的科學目標是“一磁兩暴”。甘為群說：“這個詞是專門為這顆衛(wèi)星提出來的，‘磁’就是磁場，‘兩暴’就是太陽上兩類最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象——耀斑和日冕物質(zhì)拋射。我們就是要研究這三者之間的關系，即磁場與耀斑的關系，磁場與日冕物質(zhì)拋射的關系，日冕物質(zhì)拋射與耀斑的關系；研究它們的形成、演化、相互作用和可能存在的因果關聯(lián)，同時為空間天氣預警提供支持。”

為了實現(xiàn)這個目標，從理念提出到有效載荷研制，再到系統(tǒng)集成，“夸父一號”作出了很多原始創(chuàng)新。甘為群將其總結(jié)為三個國際首次：國際上首次以“一磁兩暴”作為衛(wèi)星的科學目標并且配置相應的載荷組合；國際上首次在一顆近地衛(wèi)星上，對全日面矢量磁場、太陽耀斑非熱輻射成像、日冕物質(zhì)拋射的日面形成和近日冕傳播同時進行觀測；國際上首次在萊曼阿爾法譜線波段實現(xiàn)全日面和近日冕無縫同時成像觀測。

三大載荷“無間斷”觀測太陽

“夸父一號”重量約859公斤，入軌后的尺寸是2105毫米×9184毫米×2456毫米。在這樣的空間里，科學家們妥善安置了三大載荷，讓“夸父一號”本領高強：全日面矢量磁像儀（FMG）、萊曼阿爾法太陽望遠鏡（LST）和硬X射線成像儀（HXI），它們分別觀測太陽磁場、日冕物質(zhì)拋射和太陽耀斑。

“每一臺儀器都有自己的特色。”“夸父一號”衛(wèi)星系統(tǒng)總師，中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研究員諸成介紹：

——全日面矢量磁像儀，追蹤太陽活動的源頭。FMG的測量目標是太陽光球磁場，其獲得的矢量磁場數(shù)據(jù)不僅可以幫助我們深入理解耀斑和日冕物質(zhì)拋射過程中的能量積累、觸發(fā)、釋放和傳輸機制，也可以幫助我們更準確地研究太陽爆發(fā)活動的預報模型，為更精確的空間天氣預報提供觀測基礎。

——萊曼阿爾法太陽望遠鏡，太陽觀測的新窗口。LST載荷由三臺儀器組成，其將對太陽全日面和近日冕進行萊曼阿爾法和白光波段的成像觀測，其主要科學任務是觀測日冕物質(zhì)拋射和耀斑等劇烈的太陽爆發(fā)活動，并為空間天氣預報提供內(nèi)日冕的觀測數(shù)據(jù)支持。LST載荷在萊曼阿爾法波段的觀測將填補國際上對該波段從全日面到內(nèi)日冕連續(xù)觀測的空白。

——硬X射線成像儀，窺探寧靜面紗下的風暴。HXI由3臺結(jié)構(gòu)上獨立的單機組成：準直器、量能器以及電控箱，它們可分別類比于相機中的鏡頭、CCD和控制系統(tǒng)。HXI的主要科學目標是在30keV～200keV能量段對太陽耀斑的硬X射線輻射進行能譜和成像觀測，是已知唯一一個在太陽活動第25周峰年期間提供地球視角觀測的太陽高能成像儀器，對研究耀斑非熱輻射源的形成和演化機制以及粒子加速過程具有極為重要的意義。

“夸父一號”的軌道選擇也有“門道”。諸成說：“選取720公里高的晨昏太陽同步軌道，為硬X射線成像儀提供粒子背景比較低的良好環(huán)境，同時有利于降低大氣散射雜光對萊曼阿爾法太陽望遠鏡的成像干擾。這個軌道全年只有約3個月存在較短地影，其他時間是全日照，可以連續(xù)長時間進行太陽觀測。”

在太陽物理研究中，作出更多原創(chuàng)性重大貢獻

“夸父一號”每天可以為科學家提供500GB科學數(shù)據(jù)，供科學家進行太陽物理學研究。“夸父一號”科學應用系統(tǒng)總師、中國科學院紫金山天文臺研究員黎輝說：“‘夸父一號’衛(wèi)星發(fā)射之后，將經(jīng)過一段時間的在軌測試。測試正常后，會按照國際慣例，對全世界相關領域的科研工作者，實時免費開放。”

國際上已有幾十顆專門或相關的太陽探測衛(wèi)星了，近年來，我國發(fā)射了中國首顆太陽探測科學技術試驗衛(wèi)星“羲和號”，美國也發(fā)射了“帕克號”太陽探測器，中國還有必要發(fā)射一個全新的太陽探測衛(wèi)星嗎？

甘為群的答案是：當然需要！

甘為群解釋，“帕克號”是飛到太陽附近進行觀測的衛(wèi)星，“這也意味著會受到非常強烈的熱輻射，不能對太陽進行直接的成像觀測。所以，‘帕克號’只能局地探測太陽大氣中的粒子、磁場和太陽風等太陽環(huán)境。而‘夸父一號’是直接‘看’太陽，用遙測遙感的手段觀測太陽，對太陽進行成像，與‘帕克號’在科學目標上是不一致的，可以互為補充。”

而“羲和號”則是一顆科學試驗衛(wèi)星，主要目標是從技術上驗證一種衛(wèi)星平臺——“雙超”平臺。甘為群介紹，“夸父一號”這顆衛(wèi)星是專門為太陽觀測而提出的，是完全以科學目標為牽引的空間科學衛(wèi)星計劃。所以這顆衛(wèi)星的提法是“空間科學衛(wèi)星”，這跟“羲和”是不一樣的。此外，“羲和號”和“夸父一號”在科學目標、觀測對象、觀測波段等方面均不相同。

“據(jù)統(tǒng)計，2010年左右，中國在太陽物理領域發(fā)表論文的總量已經(jīng)排在世界第二。但我們寫論文所用的絕大部分觀測數(shù)據(jù)都是來自國際上的太陽衛(wèi)星。”甘為群說，“正是在這樣的背景下，我們在2011年提出了先進天基太陽天文臺衛(wèi)星項目，如今，萬事俱備，且看中國！”

（原標題：“夸父一號”如何“逐日”）

【責任編輯：周小妹】

【內(nèi)容審核：曾   琪】