李川 擦亮中國的“觀日之眼”

華南

太陽，是地球的母星。太陽的活動時刻影響著地球附近的空間環境，地球的生命演化也和太陽息息相關。

肉眼所見的太陽，光芒四射。但有一群人，致力于探究太陽光芒里的未知。南京大學天文與空間科學學院教授、“羲和號”衛星科學與應用系統總設計師李川，就是他們中的一員。

12月14日，“中國青年科技工作者日”全國活動月暨中青科協成立30周年主題活動現場，李川作了《羲和逐日新征程 九霄尋夢再問天》的演講，分享“羲和號”探日衛星設計，以及研發團隊以浩瀚星辰為征途，為解開更多宇宙奧秘而不斷奮斗的經歷。

2023年10月，“羲和號”科學與應用系統所在地——南京大學太陽科學數據中心依據“羲和號”追日兩年來的最新觀測數據，首次制作成太陽表面壯觀景象的科普視頻，并發布了一系列原創性科研成果，為揭示太陽爆發機制提供更多證據。

“羲和號”全名太陽Hα光譜探測與雙超平臺科學技術試驗衛星，由國家航天局批復立項，由南京大學、中國航天科技集團有限公司第八研究院、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所等單位聯合研發。自2021年10月14日發射以來，在距離地球高度為517公里的太陽同步軌道運行。“‘羲和號’每天繞地球15圈，大約每95分鐘繞地球一圈，每圈觀測太陽大約30分鐘”，李川介紹。

“羲和號”主要科學載荷是Hα成像光譜儀，太陽的光球層是我們肉眼可見的部分，厚度約500公里，色球層則在光球層上大約1500公里的范圍內。Hα是研究太陽活動在光球和色球響應時最好的譜線之一。“羲和號”上的Hα成像光譜儀的空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率綜合指標達到了國際先進水平。

“羲和號”通過光譜掃描成像，一次掃描只要46秒，就能獲得太陽全日面約1600萬個點的光譜，獲得300余個波長點的太陽圖像，光譜分辨率可以達到0.0024納米，相當于給太陽大氣做了一次CT，獲取了從光球到色球的細致切面。

兩年多來，南京大學太陽科學數據中心已經獲得超過400TB的高質量科學數據。“羲和號”衛星的成功發射，打破了我國沒有第一手太陽空間探測數據、依賴國外衛星數據的被動局面。目前，這些衛星數據完成標定后，已對全世界科學家共享。

利用“羲和號”高質量的科學數據，國內外學者已經取得了一系列原創性研究成果。包括首次在Hα附近的中性鐵譜線上觀測到強烈的白光耀斑、首次定量獲得了不同層次太陽大氣自轉的速度、首次獲得了中性硅譜線物理參數在日面上的分布、首次利用全日面光譜開展Sun-as-a-Star的研究等。2023年8月，國際著名天文期刊《天體物理學雜志快報》刊發熱點專輯，集中報道“羲和號”首批研究成果，“這是中國天文觀測設備首次以專輯形式在該期刊發表研究成果。”李川說。

2008年，李川從南京大學天文學系畢業，并獲得南京大學和巴黎第十一大學理學博士學位。同年，他赴倫敦大學學院穆蘭德空間科學實驗室（Mullard Space Science Laboratory）進行博士后研究，2011年回國，入職南京大學天文與空間科學學院。

2015年，任職副教授的李川，被中國科學院院士、南京大學天文與空間科學學院教授方成問道：“想不想來做一顆探測太陽的衛星？”

當時，國際上已近70顆與太陽探測相關的衛星，但我國這個領域尚屬空白。“我們沒有任何經驗，也完全不知道從何開始，實際上是很有挑戰的。”李川說。

那時，李川有自己的科研方向和正在進行的課題，按照當時的考評體系，他必須在規定時間內發表相應的文章，才能晉升職稱。如果轉向太陽探測衛星，從一片全新的領域起步，短期內可能無法發表論文。

“當時這個項目完全不確定能否獲得國家立項，我確實猶豫過。”李川笑著說。但最終，他為了解決我國太陽物理研究嚴重依賴國外衛星數據的“卡脖子”問題，全身心投入到這顆象征著中國對太陽探索緣起的試驗衛星研發事業中。

“方成老師是我的榜樣，他給我很大激勵。”1955年，方成進入南京大學天文系讀書。初入校門時，“向科學進軍，做天文事業的拓荒者”的大字標語讓他激動不已，從此扎根于此。1958 年，南京大學天文系師生決心建造中國第一座塔式太陽望遠鏡，簡稱“太陽塔”。作為選址的孝陵衛，當時是一片荒無人煙的山包，沒有水電和道路，方成就和其他幾位老師在那里輪流值守，自己蓋茅草房，從山下挑水到山上，用小煤油燈燒飯，用幾乎原始的生活方式在那里熬過了一年半。李川說：“方成老師他們就是在那樣一無所有的環境中，完全不計個人得失、艱苦卓絕地奮斗，最終歷時22年時間，實現了我國太陽物理設備的重大突破。”這種精神激勵著他，他愿意繼續為中國天文事業的突破創新而奮斗。

2019年，經過四年的各方論證，“羲和號”衛星正式獲得國家航天局立項。“方成老師全程參與和主持了項目研發，與我們一起出差、論證、計算、攻關，事無巨細，非常辛苦。直到現在，方成老師已經80多歲了，每天仍工作在第一線，也在全程跟蹤指導‘羲和號’的數據標定和科學研究。”李川說。

“解決‘卡脖子’難題，重在突破創新，不但不能重復國外的工作，還要有突破點。”最終，研制團隊在國際上首次采用了“動靜隔離非接觸”總體設計新方法，為衛星建立了雙超平臺，使載荷艙內望遠鏡更穩定；另外，他們將望遠鏡設計為全日面的光譜掃描，也就是CT式的掃描，這是以前沒有的。“只有有所突破，才能得到更加獨特的數據，也才能為科研提供新的探索空間。”

立項后，衛星發射時間被定為2021年10月，李川與團隊自此開始了兩年多的“魔鬼式”科研。每一周或兩周到合作單位進行對接，幾乎每天都要開碰頭會，“視頻會、線下會、電話會……各種形式的會議，無數次論證、細節修改、碰撞，最終達成共識，再共同奔赴。”

讓李川印象深刻的，還有發射前的地面觀測測試。在中國科學院南京天文光學儀器研究所的實驗室里，連續幾天的測試，正好趕上連陰天，得不到測試數據。這讓李川十分著急，“這組技術指標測試非常重要，衛星探測的數據不能直接給科研人員做研究，而是要通過我們定標，也就是把原始數據做成科研需要的科學數據。而這次測試，正好與此相關。”

如果不能及時完成測試，則有可能趕不上預計的發射窗口期。幸好千鈞一發之際，南京有了半天晴天，衛星團隊抓緊寶貴的時間，完成了測試。

類似突發情況、緊急事件，在“羲和號”研發期間，李川和團隊遇到太多。“但這就是科學探索之路，漫長而艱辛，要耐得住寂寞，要經得起挫折。”

2021年10月14日，太原衛星發射場，李川目送“羲和號”發射成功，中國也由此正式開始了空間探日時代。2021年10月24日，“羲和號”正式“睜開雙眼”，實現了初光觀測。2022年8月3日，“羲和號”正式完成在軌調試，獲得國際最佳的全日面光譜成像數據。

由于在“羲和號”這項國家重大工程中的突出貢獻，2022年，李川在職稱評審和答辯中獲得校內外評委一致認可，順利晉升為教授。《“羲和號”實現高精度太陽Hα光譜成像空間探測》也榮獲2022年度江蘇省行業領域十大科技進展。

在軌運行兩年多以來，“羲和號”源源不斷將探測數據返回地面。南京大學研發團隊與衛星系統、測控系統和地面系統聯合開展在軌測試工作，“從數據看，衛星在軌運行狀態良好，很有希望工作至2026年前后的太陽活動峰年。”

“我們數據網站上太陽的圖像，顏色很漂亮，但這不是衛星傳輸回來的圖像，而是我們天文學家在數據處理后賦予圖像的顏色。我們接收的數據是二進制數據，從原始數據到科學數據，需要經過復雜的處理過程。”李川說，數據分析處理沒有太多可以參照的方法，需要不斷試錯、尋找最佳方法，不斷迭代達到最佳的階段，“衛星發射后，我們每周都會交流各自任務中的問題，規劃下一步工作。我們既有壓力更有動力，不能有絲毫懈怠。”

“羲和號”這項重大工程的成功來之不易，通過任務實施，南京大學也磨煉出了一支兼具科學探索和工程實踐能力的優秀隊伍。在李川看來，隨著我國大型科研項目不斷落成、運行，對工程類科研人員的需求也越來越大。“羲和號”科學與應用系統的副總設計師李臻高工，就對衛星的數據處理和科學數據中心建設作出了很大貢獻。“我們培養青年科研人才，要因材施教、用其所長。”李川說，有些人適合開拓性、創新性的工作，就可以側重向科研創新方面發展，有的人適合數據收集、整理分析這類科學工作，就可以朝著數據科學家方向努力。“重大科學工程涉及方方面面，各領域協同合作才能取得更多科學成果。”

目前，南京大學科研評價體系的理念和導向也在不斷改革，從2014年提出做問題導向的原創研究，到2018年提出構建“三位一體原創驅動式”科學研究新模式，“建立以科技創新質量、學術貢獻為導向的評價體系”逐步完善，科研人員有機會在創新鏈條上走得更遠。

在李川眼中，太陽也有“情緒”，有時平靜，有時“躁動”，但不論什么樣子的太陽，都魅力無窮，“太陽是距離地球最近的恒星，是唯一可以實現高時空分辨率觀測的恒星。它是我們了解宇宙的一個窗口，通過對它的觀測和研究，可以了解一些基本的天體物理過程。”

作為位于太陽和地球連接線上、繞地球運行的探測衛星，“羲和號”也存在一定技術局限。“從地球的方向來看，探測到的各類爆發都只是太陽活動在天空背景下的投影，既不能較好地研究太陽的三維結構，也無法很好地預測太陽爆發活動對地球的影響。”

為了彌補遺憾，目前，南京大學團隊在“羲和號”衛星成功發射的基礎上，推動實施日地L5太陽探測工程，即“羲和二號”。“目前這項工作正在進行論證。”李川說，“太陽系里面一共有五個日地平動點，距離地球約1.5億公里的L5點，位于與太陽和地球呈等邊三角形的位置，且在太陽自轉的上游，因此是最適合的太陽觀測點。”發射衛星到日地L5點探測，結合近地觀測，可實現太陽活動現象的三維重構，有望開啟我國的立體探日時代，可深入探索太陽活動區磁場的起源和演化、揭示太陽爆發的物理機制、傳播規律和對地響應，還能夠提前四至五天觀測到即將面向地球的太陽活動，實時追蹤面向地球的太陽爆發，給空間天氣預報帶來革命性突破。

習近平總書記給南京大學留學歸國青年學者的重要回信中提出希望，“在堅持立德樹人、推動科技自立自強上再創佳績”。李川說，“科學報國”是南大的傳統底色。“我們面向國家重大戰略需求的責任意識從未改變。論證和研發‘羲和號’，我們六年磨一劍。截至目前，日地L5點尚為國際探測空白。太陽活動有11年的周期，我們希望到2026—2027年，太陽活動周期最活躍的時候，‘羲和二號’探日衛星能夠填補這個空白。”

責任編輯 趙漢琪