“太阳,我们来了!”——专访中国第一颗综合性太阳探测卫星—先进天基太阳天文台首席科学家甘为群

【环球时报-环球网报道 记者 邓孝慈】太阳,是与我们关系最密切的一颗恒星,也是唯一一颗可以详细研究的恒星。它为我们带来了光明和温暖,但同时也会对地球产生重大影响。我国第一颗综合性太阳探测卫星——先进天基太阳天文台(ASO-S)将于2022年发射升空,揭示太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射(一磁两暴)的形成及相互关系,预期在轨运行不少于4年。

针对无数天文爱好者们提出的“为什么要离开地表,去往空间探测太阳”、“如何与太阳保持安全的探测距离”、“探测太阳的实际价值”等问题,ASO-S项目首席科学家、中国科学院紫金山天文台甘为群研究员接受本报记者专访,一一解答。

ASO-S卫星由三台有效载荷组成 图片来源:紫金山天文台

“在地面上对太阳进行观测,由于地球大气层的存在,我们只能观测到有限的波段,即可见光波段和一部分红外光,以及有限的紫外光和射电辐射,它们在宽广的太阳辐射波谱中只占很小的一部分,更多波段辐射,比如说大部分紫外和红外线、X射线和伽马射线等高能辐射,都无法达到地面,因为它们在地球大气中就被吸收掉了。如果你看整个波段的太阳电磁波谱,你会发现大部分都被地球大气吸收掉了,”甘为群介绍到。“所以,想要在全波段观测太阳,尤其是可见光波段之外的,要选择去空间进行观测。只有将探测器发射到太空中去,避开地球大气的影响,从各个波段研究太阳,才能够描绘出一幅完整的太阳图像。”

“早期的话,人类早期通过气球来进行观测。但这种观测的持续时间比较短。后来,随着空间技术的发展,更多科学家选择通过卫星进行长时间的观测。卫星的优势还在于能够完全脱离地球大气的影响,这样就可以进行全波段的观测,这也是为什么要到空间进行观测。”

ASO-S卫星 图片来源:紫金山天文台

记者了解到,ASO-S搭载三台有效载荷,用于测量太阳磁场,以及观测太阳耀斑和日冕物质抛射。甘为群为此用了一个新的名词“一磁两暴”。

“三台仪器分别是:莱曼阿尔法太阳望远镜,全日面矢量磁像仪,以及硬X射线成像仪。其中莱曼阿尔法太阳望远镜和硬X射线成像仪的观测对象均在可见光波谱之外,这也不难理解,为了达到“一磁两暴”的太阳探测目标,我们必须到空间,也就是大气层之外去观测。即便是工作在可见光波段的全日面矢量磁相仪,它在空间观测是充分利用空间探测的其它好处,比如不受天气影响、没有大气抖动、长时间连续观测等,可以大幅度提高观测的质量。太阳磁场在地面上观测会受到大气层抖动、观测时间不连贯等因素影响,到空间也能保障观测质量和连续性。”

——观测太阳,越近越好吗?

记者从甘为群处了解到,“ASO-S将工作在距离地表720公里的地球极轨。这样的轨道设计能够满足差不多一天24小时连续观测太阳。这样连续地观测太阳,在地面是无法进行的。对于太阳观测的优劣不能简单以距离太阳远近来衡量。美国曾在2018年发射了帕克太阳探测器,旨在近距离观测太阳。它将在2025年最接近太阳,与太阳中心距离仅有9.86太阳半径(690万公里或430万英里)。”

“大胆的帕克卫星跑到太阳附近去观测,这确实是一个非常了不起的进步,因为它对技术,耐热材料的挑战是非常大的。太阳附近的热就是个大问题。你可以想象,它在那么近的距离直视太阳的后果,没有哪个仪器可以在数千度的高温下正常工作,帕克卫星上的探测器只能工作在挡板后面,测量太阳附近卫星经过地方的环境参数。因此,帕克卫星的科学目标与我们ASO-S的科学目标完全不同。”

“你可以想象它到太阳附近,那么近地去看太阳。它实际上根本没法直视太阳。它不能对着太阳看,否则仪器就要烧掉了,”甘为群介绍说。“帕克卫星的仪器工作温度不可能那么高,在1000多度以上工作。必须把太阳光挡住,然后测量卫星附近的太阳高能粒子。它不能直接看太阳,只能测量太阳附近的一些粒子等环境,所以帕克和我们的ASO-S设计不一样。”

“卫星距离地球越远,对于发射卫星的火箭和对卫星本身的要求就越高。火箭需要携带大量燃料限制了卫星有效载荷的重量,加上距离远了之后数据传输也是一个大问题。像欧空局在2020年初发射的太阳轨道天文台,同类型的X射线望远镜只能做到6公斤,而我们ASO-S上的硬X射线成像仪却重达160公斤。”

“这是因为距离越远,火箭燃料消耗也越高,从而对于载荷的重量也就是载荷的“威力”也有制约。我们的卫星距离地球距离近,我们能够允许X射线成像仪的重量达到160公斤。同时,距离地球近,能够保障数据传输的及时性。总体来说,距离远有远的好处,不能简单地评价距离太阳越近,就能进行更有效的观测,主要看科学目标。”

——天然的物理实验室

尽管太阳距离地球平均达1.5亿公里,但一旦太阳“发威”,太阳耀斑和日冕物质抛射产生的磁云会裹挟着大量带电高能粒子,直奔地球而来。对地球环境,尤其是与现代生活息息相关的电磁环境造成严重破坏。

2003年万圣节期间,太阳不甘寂寞充当了一次“捣蛋鬼”的角色,结结实实给地球捣了一次乱,使欧美的GOES、ACE、SOHO和WIND等一系列科学卫星都遭受了不同程度损害,导致全球卫星通讯受到干扰,GPS全球定位系统受到影响,定位精度出现了偏差,致使地面和空间一些需要即时通讯和定位的交通系统遭到不同程度的瘫痪。这次太阳事件也被称为“万圣节风暴”。

鉴于这些情况,持续得对太阳活动进行监测是非常有必要的。据计算,一旦发生太阳耀斑、日冕物质抛射等爆发活动,科学家可以至少提前40个小时得到信息,及时预警,做出防护举措,以避免人类生存环境受到破坏。

“我想借此机会,回应一下大众对科学往往首先提出‘这个东西有什么用’”,甘为群接着对记者说,“什么叫科学?科学就是发现和研究自然规律,而太阳是体现物理规律的比较好的场所,被认为是一个天然的实验室。因为太阳上发生的物理现象,在我们中学到大学的物理教科书和物理学前沿研究中都能找到应用。除了太阳内部物理过程,即便是我们看到的太阳表面,流体、磁流体、等离子体,全波段辐射,各种波动,各种结构,各种动力学过程,从高温到低温,从高密度到低密度,从强磁场到弱磁场,从小尺度到大尺度,从粒子加速和核反应过程……可谓应有尽有。这些物理现象在天文学的其它研究对象上进行详细观测是不可想象的。从这个角度而言,太阳具有特殊性、重要性,是一个天然的实验室。太阳研究对人类生活的关联,那也是不言而喻的,”他继续补充道,“ASO-S是科学卫星,不是应用卫星,它首先关注的是科学问题”。

——空间天气预报

“如果我们把“一磁两暴”研究清楚了,那么我们通过观测磁场就可以提前预报什么时候发生耀斑,什么时候发生日冕物质抛射,就像地球上的天气预报一样。”

“ASO-S的使命就是观测和研究“一磁两暴”,但在搞清这个问题之前,它也可以通过监测日冕物质抛射在太阳上的爆发情况,预报对地球的可能影响,提前1-3天警示人类做好防护工作。当然这项工作要与空间天气专门的研究和服务部门联合起来做,ASO-S提供给他们必要的数据产品。”

——为什么选择2022?

“太阳活动具有11年的周期。为什么选择22年发射,因为下一个太阳活动周期差不多从2021年开始,2022年也处于开始阶段,然后是上升期,预期在2024到2025年左右达到峰值。所以2022年发射正好能覆盖从开始到上升期再到极大期,进行连续不断的观测。4年也是卫星工作时长界限。如果超过4年,卫星的研制费用就会变得非常高。当然,我们期望卫星在轨工作时间越长越好。”

“我们能够无间断记录4年,这本身就是非常珍贵的。从科学的角度来讲,你在同一时间段内得到1万2千个事例和1200个事例做研究,应该说影响不是很大。”

——目前卫星研发情况

记者从甘为群处了解到,先进天基太阳天文台在2017年年底顺利正式批复工程立项。目前卫星工程样机已经研制完成,进度到工程飞行样前期阶段,即卫星已经从图纸上的概念,想法,做成了产品。卫星初样性能通过了所有试验,包括环境模拟、高低温试验等,预计今年1月底前完成整机转正样即飞行样机研制阶段,今年年底完成飞行样机研制,2022年上半年择机发射。

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