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即將進入正樣研製階段,有望於2022年發射升空

ASO-S——中國人的“探日”天眼

時間:2021-03-17 10:43:16 來源:科技日報

  太陽發射出大量帶電高能粒子對地球電磁環境造成嚴重破壞,其中尤以太陽黑子、太陽耀斑和日冕物質拋射對地球電磁環境影響最為顯著。圖片來源:中國科學院紫金山天文台

  我們的ASO-S衞星將攜帶3台儀器,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,專門觀測日冕物質拋射。

  ——甘為羣 ASO-S衞星工程首席科學家、中國科學院紫金山天文台研究員

  

  在距離地球1.5億公里的太空中,有一顆時時刻刻都在發光發熱的巨大恆星,它散發着的耀眼光芒,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,是與人類關係最密切的恆星,也是唯一一顆人類當前可以詳細研究的恆星,通過對太陽的詳細研究,我們能更深層次地瞭解太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質拋射(一磁兩暴)。

  “目前,我國第一顆綜合性太陽探測衞星——先進天基太陽天文台(ASO-S),即將進入正樣研製階段。”ASO-S衞星工程首席科學家、中國科學院紫金山天文台研究員甘為羣告訴科技日報記者。

  這意味着,衞星的工程樣機研製已經接近完成,再經過1年左右的正樣研製,ASO-S有望於2022年發射升空,屆時將詳細記錄第二十五個太陽活動周的“太陽風暴”,並及時預報太陽爆發對地球的可能影響。

  太陽一“發威”後果很嚴重

  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,並逐漸形成了今天我們所熟悉的太陽。

  從古至今,太陽引發了人類太多的思考,我們對這顆耀眼的恆星充滿了好奇。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。

  儘管太陽與地球平均距離達1.5億公里,但一旦太陽“發威”,就會給地球帶來不可估量的後果。

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

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

  太陽黑子存在於太陽光球表面,是磁場的聚集之處,藉助現代科技,科學家們觀測到太陽黑子的數量和位置每隔11年就會出現週期性的變化。

  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拋射可讓數十億噸的物質短時間內離開太陽。

  “從自然科學的角度來説,太陽是一個非常好的天然物理實驗室,除了太陽內部物理過程,對於太陽的表面、大氣、磁場、結構、波動、全波段輻射、等離子體、流體的規律等我們都可以進行觀測研究。”甘為羣説道。

  據計算,一旦發生日冕物質拋射等爆發活動,科學家可以在它影響地球前至少40個小時以內得到信息,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,世界各國已經先後發射了70多顆太陽探測衞星。

  2018年,備受矚目的美國帕克太陽探測器發射升空,它以前所未有的近距離對太陽進行觀測,並已經獲取了相當的成果。

  為什麼要在空間進行太陽探測?甘為羣解釋説,由於地球存在大氣層,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佔很小的一部分。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着陸……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略性先導科技專項背景型號項目“先進天基太陽天文台(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題評審。之後經過1年多的深化研究和綜合論證,ASO-S在2017年底終於獲得中國科學院批覆工程立項。

  早在1976年,我國就嘗試提出和實施太陽空間探測衞星計劃,數十年過去,迄今我國仍沒有發射過一顆太陽探測專用衞星。因此,中國第一顆綜合性太陽探測衞星ASO-S受到了人們的密切關注。

  “打造這顆衞星的想法在上世紀90年代就已形成,之後經過不斷修正完善,直到2011年中國科學院啓動空間科學先導專項,ASO-S才得以走上正軌,經歷了空間科學衞星項目的一套標準程序。”甘為羣表示,ASO-S預估在2022年完成發射任務,隨後按照計劃進入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已經位居世界第二,但這些論文所使用的數據大都來自國外衞星的觀測,我們缺少原創性貢獻。ASO-S上天后不僅可以擁有第一手數據,也將為國際天文學研究貢獻中國力量。”甘為羣説。

  中國“探日”衞星攜帶3件“法寶”

  與國際上之前的70多顆太陽探測衞星相比,ASO-S衞星最大的特點是要實現 “一磁兩暴”的科學目標,即在一個衞星平台上同時觀測太陽磁場、太陽耀斑和日冕拋射,研究它們三者之間的關係。

  為了觀測“一磁兩暴”,ASO-S將搭載3台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衞星將攜帶3台儀器,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,專門觀測日冕物質拋射。”甘為羣説,除了3台儀器的組合特色外,3台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”衞星屬於空白,沒有多少經驗可循,關鍵技術的攻堅克難可謂“難比登天”。就拿硬X射線成像儀來説,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個探頭相當於一個個的小眼睛,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,比頭髮絲還要細。甘為羣把製作過程比作加工一本書,首先要生產出帶有狹縫的“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、空間環境惡劣、經歷發射過程等因素。

  2021—2022年正處於第二十五個太陽活動週期的開始階段,太陽黑子將越來越多,太陽磁場也會越來越強,太陽的爆發會增加,預期在2025年前後達到峯值,ASO-S衞星2022年發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週期。

  升空後,ASO-S衞星將在距離地表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,這個角度能夠確保衞星24小時連續不斷地觀測到太陽。ASO-S衞星的預期在軌運行時間將不少於4年。(季天宇 張 曄)

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編輯: 劉坤媛
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