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          現代的“夸父”衛星如何逐日?

            2022年10月9日7時43分,我國在酒泉衛星發射中心采用長征二號丁型運載火箭,成功將“夸父一號”發射升空,且衛星順利進入預定軌道。

          “夸父一號”發射景象 (圖片來源:新華社)

            用了夸父這樣的名字,朋友們很容易就能想到一個咱們的神話故事——夸父逐日。


            神話中的夸父

            神話中的遠古時候,有一群力大無窮的巨人,他們的首領叫做“夸父”。有一年的天氣非常熱,火辣辣的太陽直射在大地上,烤死莊稼,曬焦樹木,河流干枯??釤嶙屓穗y以忍受,夸父族的人紛紛死去??粗纯嗖豢暗淖迦?,夸父決心捉住太陽,讓大家的生活回歸正軌。

            夸父追逐太陽,一路追趕到太陽落下的地方。跑了這么久又累又被太陽烤,他感到口渴想要喝水,喝干了黃河、渭河的水,但這兩條河的水還不夠他止渴,于是他又出發去喝北方的大湖水,但夸父還沒有到達大湖,就在半路渴死了。他死后,手中的手杖遺棄下來,化作了桃林,這片桃林終年茂盛,為往來的過客遮蔭,結出的鮮桃,為勤勞的人們解渴。

            這段故事的原文是《山海經·海外北經》:“夸父與日逐走,入日??视蔑?,飲于河渭,河渭不足,北飲大澤。未至,道渴而死。棄其杖,化為鄧林?!?/span>

          人教版小學語文課文配圖的夸父逐日 (圖片來源:教材掃描)

            神話小故事中定義了“夸父”是追逐太陽的人,反映了古代人民探索大自然的強烈愿望和頑強意志。那么,人類觀測、探索太陽的航天器,采用這個名字,是很有文化內涵的。


            現實中的“夸父”——先進天基太陽天文臺(ASO-S)

            本文的主題——夸父一號衛星,筆者所在的單位正是牽頭單位。

            這顆衛星的科學名稱叫做先進天基太陽天文臺(Advanced Space-based Solar Observatory,簡稱ASO-S),早在2011年就已經由我國科學家自主提出,在中國科學院空間科學先導專項的支持下,ASO-S先后經歷了預先研究、背景型號研究和綜合論證,2017年底獲得中國科學院批復正式工程立項,并最終研制發射。我們耳熟能詳的“悟空”、“墨子號”、“慧眼”、“實踐十號”、“太極一號”、“懷柔一號”這些衛星,都是該先導專項支持研發的。

            “夸父”這個名字其實早就被用于中國的太陽觀測計劃——北京大學涂傳詒院士在2003年提出的“夸父計劃”(Kuafu Mission),可惜計劃最終未能實施??涓赣媱澰浻媱澰诿?1年為周期的太陽活動峰值年份(2012-2014年)發射并探測太陽的活動,而ASO-S衛星也有此意,瞄準的是咱們現在正在經歷的太陽活動第25周的峰年,并實現我國綜合性太陽衛星探測零的突破。

            突破的是什么呢?ASO-S是一顆科學衛星,它的科學目標可以簡稱為“一磁兩暴”——“一磁”就是太陽磁場,太陽和地球一樣有磁場,甚至比地球的磁場更強,太陽上的日珥、黑子等等都與它的磁場有關;“兩暴”則是指太陽上兩類最劇烈的爆發現象,分別是太陽耀斑和日冕物質拋射,耀斑是太陽上耀眼的光斑,而“日冕物質拋射”指的是太陽爆發時把自己外層名為“日冕”的圈層中的物質大量噴出到太空當中。ASO-S對太陽的研究是多方面一體的,即觀測和研究太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質拋射的起源及三者之間可能存在的因果關系。

          171?(17.1nm)輻射成像下的太陽,能看到耀斑和日冕物質拋射 (圖片來源:美國太陽動力學天文臺SDO)

            對于ASO-S的名字,在2022年7月,衛星工程部門就向全國征名,共搜集到25000多份提名,其中三分之一都建議命名為“夸父”,最后選擇使用“夸父一號”作為衛星的名稱。也許可以說,從前未能實施的夸父計劃,在這個新的太陽觀測系列衛星身上,得到了新生。


            這顆衛星如何探測太陽呢?

            我們知道了“夸父一號”衛星正在幫助人類更好的認識太陽,通過的是對太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質拋射這三者的觀測和研究,但是它只是一顆地球周圍的衛星,要怎么探測太陽上的這些事物呢?

            首先“夸父一號”衛星采用的是高度720千米左右、周期約99分鐘的太陽同步晨昏軌道。所謂的太陽同步,是因為衛星飛行時受到非均勻的地球引力,軌道平面會緩緩轉動,從宇宙中看,它一方面圍繞地球飛行且跟隨者地球繞太陽公轉,另一方面軌道平面也圍繞太陽轉動,保持這個面一直朝向太陽。

            我們聽說過月亮永遠只有正面面向地球、永遠也看不見背面,衛星的太陽同步軌道面也是如此,如同鏡面的正反面,只有一面一直朝向太陽?!翱涓敢惶枴毙l星采取的軌道平面更是沿著地球晨昏線的,這使得它幾乎一年到頭都可以曬到太陽——只有在每年的5月中旬到8月共約2.5個月的時間存在陰影,每天最長陰影時間18分鐘。因此,它幾乎一直可以觀測太陽。

            那么它觀測什么呢?那就要說到它的載荷?!翱涓敢惶枴毙l星搭載了全日面矢量磁像儀(磁象儀)、萊曼阿爾法太陽望遠鏡和太陽硬X射線成像儀。

            磁場是一種看不見、摸不著的物質,但實際上經過“偏振”的太陽光,在沒有磁場的區域就得到兩個亮度相同的單色像,而在有磁場的區域就得到兩個亮度不同的像,磁場愈強,兩個像的亮度差愈大。因此,“夸父一號”衛星的全日面矢量磁像儀由成像光學系統、偏振光學系統、數據采集與處理系統三大功能塊組成,在常規觀測模式下,單磁場分量觀測由128×2幀圖像完成,一組矢量磁圖用時2分鐘,通過這種方式獲得太陽磁場的信息。

          中科院國家天文臺懷柔太陽觀測基地觀測的一個區域的太陽矢量磁圖

          白色和黑色代表磁場正負,藍色和紅色箭頭分別為正負極性處的橫向磁場

            (圖片來源:先進天基太陽天文臺官網)

            “萊曼阿爾法”(Lyα)是一種輻射的波段,太陽萊曼阿爾法發射線是太陽紫外光譜中最強的一條發射線。早期研究表明,太陽耀斑發生期間,該譜線表現出明顯的輻射增強,后來科學家發現它能很好的表征太陽外層的色球層、日冕等的特征?!翱涓敢惶枴钡娜R曼阿爾法全日面成像儀在波段(121.6±4.5 nm)以4-40秒的時間間隔對太陽從日面中心到1.2個太陽半徑進行成像觀測,可以幫助我們揭開太陽的神秘面紗。

            我們體檢的時候有時會用穿透力很強的“X光”拍照檢查身體的內側,“硬X射線”是能量較高的x光,波長在0.01nm~0.1nm之間(如果波長大于0.1nm就叫軟X射線了)。硬X射線也是太陽一種重要的輻射,太陽上的許多活動都可以用硬X射線更好地看到。因此,太陽硬X射線成像儀對太陽的拍照,也有助于研究太陽耀斑、日冕物質拋射等活動。

            有了這三種儀器,“夸父一號”衛星能夠從多個方面探測太陽爆發,有助于研究太陽活動的科學原理,更有助于預報空間天氣,為我國空間環境的安全提供保障。

            頭頂的星辰大海始終是人類的向往,“夸父”逐日的故事告訴我們,在探索深空、探索自然的長路上,人類從未止步。


            出品:科普中國

            作者:王錚

            監制:中國科普博覽

            編輯:孫晨宇


           
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