ASO-S：“夸父逐日”為哪般

文 /劉巖 錢航 張蓉

10月9日，我國在酒泉衛星發射中心使用長征二號丁運載火箭，成功發射先進天基太陽天文臺（ASO-S）衛星，又稱“夸父一號”。它將使我國科學家進一步深入研究太陽，幫助解決諸多科學難題：太陽的活動機制是怎樣的？太陽光球層磁場怎么變化？日冕拋射遵循怎樣的模式？人類如何加強預測，讓航天器和航天員避開高能電磁風暴？

▲ ASO-S衛星觀測太陽活動示意圖

▲ ASO-S衛星搭載于長征二號丁火箭發射。汪江波 攝

▲ 太陽活動影響地球及大氣層示意圖

上天看太陽好處多

介紹ASO-S衛星之前，我們先要弄清一個問題：如今天文望遠鏡那么先進，為什么科研人員不能在地面上全方位觀察太陽活動呢？

打個比方，假如10米外有1根點燃的蠟燭，人站在原地能觀測到什么呢？肉眼只能看到火焰光芒；借助一些科學儀器，能夠對火焰顏色進行光譜分析，獲知火焰中等離子體電子的電離能量；通過溫度計，能測出蠟燭燃燒時的熱傳導和熱輻射狀況。如果蠟燭火焰上方冒黑煙，那可能是蠟燭正在不完全燃燒。為什么會這樣？蠟燭會不會是由特殊物質構成呢？諸如此類問題都要求觀察者更靠近蠟燭。

同理，在地面借助望遠鏡和電磁測量儀等，人類也能分析出太陽的組成、光亮度、表面溫度、輻射等，建立許多科學模型來解釋太陽活動。但這些理論僅僅是基于太陽表面特征及科學數據的推斷，相關驗證以及對于太陽異常活動的解釋都不能靠地面觀測解決。所以人類需要把儀器盡可能地搬到太陽附近進行觀察，獲取更多科學數據，開展更全面更詳細的研究。

其實，人類不斷深入研究太陽的過程，伴隨著與科技進步的相互促進。3000多年前，古巴比倫天文學家觀察到太陽沿著黃道面運動不均勻，預測太陽軌道，促進了幾何物理飛躍。2000多年前，中國先賢長期觀測和記錄太陽黑子，為探索太陽活動周期提供了珍貴科學數據。1904年，科學家首次提出“太陽的能源是由內部的熱源提供的，放射性衰變是維持太陽生命的關鍵”，由此催生了黑子磁場、日冕、氫氦聚變、質子反應鏈等當時前沿的科研項目。

理論模型需要逐步證實，從而促進了探日工程啟動。20世紀60年代，美國發射先鋒號探測器，首次在太陽同步軌道上準確測量了太陽風和太陽磁場。70年代，太陽神號探測器和“天空實驗室”提供了大量關于太陽風暴、日冕層和日冕物質拋射的科學數據。90年代，日本發射探日衛星，長時間記錄了太陽耀斑的活動情況和分布。當前正不斷靠近太陽的帕克號探測器引人關注，有望于2025年空前近距離觀測外層日冕。

我國太陽空間觀測雖起步晚，但發展快。2021年7月5日，風云三號E星發射升空，首次搭載了太陽X-EUV成像儀。2021年10月14日，“羲和號”成功發射，成為國內首顆太陽探測科學技術試驗衛星。

這次發射的ASO-S衛星則是我國首顆綜合性太陽觀測專用衛星。我國太陽物理學界2011年提出太陽空間探測衛星計劃方案，力爭抓住太陽第25周峰年的契機，加強探索太陽，成果就是ASO-S衛星。簡單地說，我國科研人員要把測量太陽的精密儀器在巧妙的時間控制中送到離太陽盡可能近的位置，力爭實現我國太陽衛星探測領域的進一步突破。

挑戰“國際首次”擔當重任

ASO-S衛星擁有多個“國際首次”——國際上首次以“一磁兩暴”（太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質拋射）作為衛星的科學目標并配置相應的載荷組合；國際上首次在一顆衛星平臺上對全日面矢量磁場、太陽耀斑非熱輻射成像，同時觀測日冕拋射物質的日面形成和近日冕傳播；國際上首次在萊曼阿爾法波段實現全日面和近日冕同時觀測。

據公開資料顯示，ASO-S衛星的科學目標是研究耀斑與日冕拋射物質的相互關系和形成規律；研究耀斑爆發、日冕拋射物質與太陽磁場之間的因果關系；研究太陽爆發能量的傳輸機制及動力學特征；探索太陽爆發，為我國空間天氣預報提供支持。

具體來說，ASO-S衛星的首要任務是對“一磁兩暴”進行重點科學數據采集。

太陽磁場輻射范圍很大，涉及太陽內部、表面及太陽周圍空域的很多復雜動態變化，是學界長期關注的要點。

太陽耀斑和日冕物質拋射對于日常生活有很大影響。盡管太陽距離地球約1.5億千米，但太陽耀斑和日冕物質拋射產生的磁云會裹挾著大量帶電高能粒子，直奔地球而來，對地球環境，尤其是與人們生活息息相關的電磁環境，造成嚴重破壞。

2003年萬圣節期間，太陽“不甘寂寞”，充當了一次“搗蛋鬼”的角色，結結實實給地球搗了一次亂，使歐美的GOES、ACE、SOHO和 WIND等一系列科學衛星都遭受到不同程度的損害，導致全球衛星通信受到干擾，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信和定位的交通系統遭到不同程度癱瘓。

今年7月20日左右，一波太陽風暴襲擊了地球，導致衛星運行和無線電信號受到一定干擾。

▲ 日冕物質拋射

為了避免人類生存環境遭受影響，研究和預報太陽的爆發活動成了必不可少的。據計算，一旦發生太陽耀斑、日冕物質拋射等爆發活動，科學家可以至少提前40個小時得到信息，從而及時做出相關的防護舉措，以避免對人類生存環境造成破壞。這正是先進天基太陽天文臺衛星的使命。

當前太陽研究最大的難題就是預測日冕物質拋射并探討其機理。這類研究只有少量近代觀測數據為支撐。至于日冕物質拋射引發的太陽近表面磁場變化研究，還停留在摸索階段。所以，人類迫切需要更多深層數據，ASO-S衛星就肩負起觀測太陽耀斑和日冕物質拋射形成規律的重任。

ASO-S衛星的第二個任務是對全日面的太陽矢量磁場進行數據記錄，幫助人類研究太陽耀斑爆發、日冕物質拋射與太陽磁場的因果關系。另外，ASO-S衛星將觀測太陽不同層次對于太陽物質爆發的響應機理，研究日冕物質拋射和太陽風暴的傳輸機制和動力學特征。

總體來看，ASO-S衛星的任務目標非常前沿，也是學界亟待解決的問題。舉例來說，通過深入研究太陽風暴，科學家可以改進并完善覆蓋空天的天氣預報系統，使航天員在第一時間獲取太陽風暴信息，在軌工作生活更安全。

▲ ASO-S衛星運行示意圖

▲ ASO-S衛星配置示意圖

為獲得盡可能多的觀測時間，ASO-S衛星采用了高度720千米左右、周期約99分鐘的太陽同步晨昏軌道。這樣的軌道僅在每年5月中旬到8月內存在陰影，而且每軌最長陰影時間不超過18分鐘。

太陽活動呈周期性變化，周期平均為11年，太陽黑子是太陽活動的重要標志。在一個活動周期開始后，太陽黑子數量逐漸增多，太陽活動加劇，太陽黑子數量達到最多的年份，稱為太陽峰年。太陽活動第25周峰年預計在2024年到2025年左右出現。

為此，ASO-S衛星計劃以太陽活動第25周峰年作為契機，詳細記錄該時間段的太陽風暴。科學家在研究太陽活動規律的同時，及時預報太陽暴發對人類的影響，以造福全人類。

“法寶”打造“六邊形戰士”

為擔當重任，ASO-S衛星配備了不少“法寶”。

首先是全日面矢量測像儀，重點用于太陽光球層的矢量磁場成像觀測。它有望貢獻準確數據，研究太陽磁場的發生、發展和相互作用，更好地揭示日冕物質拋射的觸發機制、傳動機制和釋放機制。

該儀器使用了圖像堆疊技術，圖像在30秒內會穩定在一個極小的區間內。相比美英日合作的日出號衛星觀測設備，它具有更大的視場、更高的觀測效率和時間分辨率；對比美國SDO衛星和美歐SOHO衛星設備，它的觀測模式簡單，磁場測量靈敏度高。

▲ ASO-S衛星構造簡圖

總之，全日面矢量測像儀可以幫助人類更好地理解空間天氣中磁能的傳輸、積累和釋放問題，深入探究太陽耀斑和日冕物質拋射過程中的能量積累、觸發、釋放和傳輸機制，為空間天氣預報提供觀測基礎。據悉，這項技術意味著我國在高精度光電成像系統上實現了壁壘突破。

ASO-S衛星的第二件“法寶”是太陽硬X射線成像儀，將對太陽耀斑和太陽表面進行整體觀測和數據收集。太陽耀斑爆發時，相關數據與X射線的流量形成正相關，提供了偵測太陽耀斑的“捷徑”。

你可能擔心：X射線穿透能力很強，可以穿過一般的反射鏡和透鏡，怎么聚焦成像呢？

原來太陽硬X射線成像儀由3臺結構獨立的單機組成，類似相機中的鏡頭、CCD和控制系統，就像高科技復眼，不同光柵“鏡筒”各司其職，有的擅長看大輪廓，有的擅長看小細節，綜合起來，就是強大的觀測陣列，能量探測范圍廣，空間分辨率高。對比國際同類儀器，探頭數目要多，它配備了99個探測器，性能強大。

第三件“法寶”叫做萊曼阿爾法太陽望遠鏡，專注觀測日冕層。萊曼阿爾法線是日面和日冕上觀測到的最強紫外譜線，有助于研究太陽色球及日冕結構（如耀斑、暗條、日冕物質拋射等）的輻射。

目前國外探日衛星搭載的某些儀器也能對太陽進行同波段全局流量監測，但無法全面開展日面和日冕的成像觀測，科研人員不能了解太陽活動在相關特定波段的變化。

相比之下，萊曼阿爾法太陽望遠鏡具有特殊紫外和可見光雙波段觀測能力，成像信息更完整，分辨率更高，能幫助科學研究更專注于某個方向，消除其他波長的干擾，提供了新的觀測波段“窗口”。

這些“法寶”作用極大。以空間天氣監測預警為例，科研人員可以通過全日面矢量磁像儀的磁場數據分析太陽耀斑發生的概率；通過萊曼阿爾法太陽望遠鏡的數據研究耀斑與日冕物質拋射的關系；通過硬X射線成像儀對日冕物質拋射的觀測，預測其到達地球的時間和影響，以便相關部門及時采取應對措施。

更重要的是，ASO-S衛星將為國際太陽物理學研究提供關鍵數據——太陽矢量磁場、視向速度、萊曼阿爾法全日面及內日冕圖像、硬X射線流量、能譜和成像數據等，因此也被科研人員稱為“六邊形戰士”。

據了解，ASO-S衛星投入使用后，每天將產生大約500GB探測數據，獲取的全部科學數據和分析軟件將面向全球用戶開放共享，共同實現科學目標，造福人類。