【環(huán)球時(shí)報-環(huán)球網(wǎng)報道 記者 鄧孝慈】太陽(yáng)，是與我們關(guān)系最密切的一顆恒星，也是唯一一顆可以詳細研究的恒星。它為我們帶來(lái)了光明和溫暖，但同時(shí)也會(huì )對地球產(chǎn)生重大影響。我國第一顆綜合性太陽(yáng)探測衛星——先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺（ASO-S）將于2022年發(fā)射升空，揭示太陽(yáng)磁場(chǎng)、太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射（一磁兩暴）的形成及相互關(guān)系，預期在軌運行不少于4年。
針對無(wú)數天文愛(ài)好者們提出的“為什么要離開(kāi)地表，去往空間探測太陽(yáng)”、“如何與太陽(yáng)保持安全的探測距離”、“探測太陽(yáng)的實(shí)際價(jià)值”等問(wèn)題，ASO-S項目首席科學(xué)家、中國科學(xué)院紫金山天文臺甘為群研究員接受本報記者專(zhuān)訪(fǎng)，一一解答。
“在地面上對太陽(yáng)進(jìn)行觀(guān)測，由于地球大氣層的存在，我們只能觀(guān)測到有限的波段，即可見(jiàn)光波段和一部分紅外光，以及有限的紫外光和射電輻射，它們在寬廣的太陽(yáng)輻射波譜中只占很小的一部分，更多波段輻射，比如說(shuō)大部分紫外和紅外線(xiàn)、X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)等高能輻射，都無(wú)法達到地面，因為它們在地球大氣中就被吸收掉了。如果你看整個(gè)波段的太陽(yáng)電磁波譜，你會(huì )發(fā)現大部分都被地球大氣吸收掉了，”甘為群介紹到。“所以，想要在全波段觀(guān)測太陽(yáng)，尤其是可見(jiàn)光波段之外的，要選擇去空間進(jìn)行觀(guān)測。只有將探測器發(fā)射到太空中去，避開(kāi)地球大氣的影響，從各個(gè)波段研究太陽(yáng)，才能夠描繪出一幅完整的太陽(yáng)圖像。”
“早期的話(huà)，人類(lèi)早期通過(guò)氣球來(lái)進(jìn)行觀(guān)測。但這種觀(guān)測的持續時(shí)間比較短。后來(lái)，隨著(zhù)空間技術(shù)的發(fā)展，更多科學(xué)家選擇通過(guò)衛星進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的觀(guān)測。衛星的優(yōu)勢還在于能夠完全脫離地球大氣的影響，這樣就可以進(jìn)行全波段的觀(guān)測，這也是為什么要到空間進(jìn)行觀(guān)測。”
記者了解到，ASO-S搭載三臺有效載荷，用于測量太陽(yáng)磁場(chǎng)，以及觀(guān)測太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射。甘為群為此用了一個(gè)新的名詞“一磁兩暴”。
“三臺儀器分別是：萊曼阿爾法太陽(yáng)望遠鏡，全日面矢量磁像儀，以及硬X射線(xiàn)成像儀。其中萊曼阿爾法太陽(yáng)望遠鏡和硬X射線(xiàn)成像儀的觀(guān)測對象均在可見(jiàn)光波譜之外，這也不難理解，為了達到“一磁兩暴”的太陽(yáng)探測目標，我們必須到空間，也就是大氣層之外去觀(guān)測。即便是工作在可見(jiàn)光波段的全日面矢量磁相儀，它在空間觀(guān)測是充分利用空間探測的其它好處，比如不受天氣影響、沒(méi)有大氣抖動(dòng)、長(cháng)時(shí)間連續觀(guān)測等，可以大幅度提高觀(guān)測的質(zhì)量。太陽(yáng)磁場(chǎng)在地面上觀(guān)測會(huì )受到大氣層抖動(dòng)、觀(guān)測時(shí)間不連貫等因素影響，到空間也能保障觀(guān)測質(zhì)量和連續性。”
——觀(guān)測太陽(yáng)，越近越好嗎？
記者從甘為群處了解到，“ASO-S將工作在距離地表720公里的地球極軌。這樣的軌道設計能夠滿(mǎn)足差不多一天24小時(shí)連續觀(guān)測太陽(yáng)。這樣連續地觀(guān)測太陽(yáng)，在地面是無(wú)法進(jìn)行的。對于太陽(yáng)觀(guān)測的優(yōu)劣不能簡(jiǎn)單以距離太陽(yáng)遠近來(lái)衡量。美國曾在2018年發(fā)射了帕克太陽(yáng)探測器，旨在近距離觀(guān)測太陽(yáng)。它將在2025年最接近太陽(yáng)，與太陽(yáng)中心距離僅有9.86太陽(yáng)半徑（690萬(wàn)公里或430萬(wàn)英里）。”
“大膽的帕克衛星跑到太陽(yáng)附近去觀(guān)測，這確實(shí)是一個(gè)非常了不起的進(jìn)步，因為它對技術(shù)，耐熱材料的挑戰是非常大的。太陽(yáng)附近的熱就是個(gè)大問(wèn)題。你可以想象，它在那么近的距離直視太陽(yáng)的后果，沒(méi)有哪個(gè)儀器可以在數千度的高溫下正常工作，帕克衛星上的探測器只能工作在擋板后面，測量太陽(yáng)附近衛星經(jīng)過(guò)地方的環(huán)境參數。因此，帕克衛星的科學(xué)目標與我們ASO-S的科學(xué)目標完全不同。”
“你可以想象它到太陽(yáng)附近，那么近地去看太陽(yáng)。它實(shí)際上根本沒(méi)法直視太陽(yáng)。它不能對著(zhù)太陽(yáng)看，否則儀器就要燒掉了，”甘為群介紹說(shuō)。“帕克衛星的儀器工作溫度不可能那么高，在1000多度以上工作。必須把太陽(yáng)光擋住，然后測量衛星附近的太陽(yáng)高能粒子。它不能直接看太陽(yáng)，只能測量太陽(yáng)附近的一些粒子等環(huán)境，所以帕克和我們的ASO-S設計不一樣。”
“衛星距離地球越遠，對于發(fā)射衛星的火箭和對衛星本身的要求就越高。火箭需要攜帶大量燃料限制了衛星有效載荷的重量，加上距離遠了之后數據傳輸也是一個(gè)大問(wèn)題。像歐空局在2020年初發(fā)射的太陽(yáng)軌道天文臺，同類(lèi)型的X射線(xiàn)望遠鏡只能做到6公斤，而我們ASO-S上的硬X射線(xiàn)成像儀卻重達160公斤。”
“這是因為距離越遠，火箭燃料消耗也越高，從而對于載荷的重量也就是載荷的“威力”也有制約。我們的衛星距離地球距離近，我們能夠允許X射線(xiàn)成像儀的重量達到160公斤。同時(shí)，距離地球近，能夠保障數據傳輸的及時(shí)性。總體來(lái)說(shuō)，距離遠有遠的好處，不能簡(jiǎn)單地評價(jià)距離太陽(yáng)越近，就能進(jìn)行更有效的觀(guān)測，主要看科學(xué)目標。”
——天然的物理實(shí)驗室
盡管太陽(yáng)距離地球平均達1.5億公里，但一旦太陽(yáng)“發(fā)威”，太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射產(chǎn)生的磁云會(huì )裹挾著(zhù)大量帶電高能粒子，直奔地球而來(lái)。對地球環(huán)境，尤其是與現代生活息息相關(guān)的電磁環(huán)境造成嚴重破壞。
2003年萬(wàn)圣節期間，太陽(yáng)不甘寂寞充當了一次“搗蛋鬼”的角色，結結實(shí)實(shí)給地球搗了一次亂，使歐美的GOES、ACE、SOHO和WIND等一系列科學(xué)衛星都遭受了不同程度損害，導致全球衛星通訊受到干擾，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(shí)通訊和定位的交通系統遭到不同程度的癱瘓。這次太陽(yáng)事件也被稱(chēng)為“萬(wàn)圣節風(fēng)暴”。
鑒于這些情況，持續得對太陽(yáng)活動(dòng)進(jìn)行監測是非常有必要的。據計算，一旦發(fā)生太陽(yáng)耀斑、日冕物質(zhì)拋射等爆發(fā)活動(dòng)，科學(xué)家可以至少提前40個(gè)小時(shí)得到信息，及時(shí)預警，做出防護舉措，以避免人類(lèi)生存環(huán)境受到破壞。
“我想借此機會(huì )，回應一下大眾對科學(xué)往往首先提出‘這個(gè)東西有什么用’”，甘為群接著(zhù)對記者說(shuō)，“什么叫科學(xué)？科學(xué)就是發(fā)現和研究自然規律，而太陽(yáng)是體現物理規律的比較好的場(chǎng)所，被認為是一個(gè)天然的實(shí)驗室。因為太陽(yáng)上發(fā)生的物理現象，在我們中學(xué)到大學(xué)的物理教科書(shū)和物理學(xué)前沿研究中都能找到應用。除了太陽(yáng)內部物理過(guò)程，即便是我們看到的太陽(yáng)表面，流體、磁流體、等離子體，全波段輻射，各種波動(dòng)，各種結構，各種動(dòng)力學(xué)過(guò)程，從高溫到低溫，從高密度到低密度，從強磁場(chǎng)到弱磁場(chǎng)，從小尺度到大尺度，從粒子加速和核反應過(guò)程……可謂應有盡有。這些物理現象在天文學(xué)的其它研究對象上進(jìn)行詳細觀(guān)測是不可想象的。從這個(gè)角度而言，太陽(yáng)具有特殊性、重要性，是一個(gè)天然的實(shí)驗室。太陽(yáng)研究對人類(lèi)生活的關(guān)聯(lián)，那也是不言而喻的，”他繼續補充道，“ASO-S是科學(xué)衛星，不是應用衛星，它首先關(guān)注的是科學(xué)問(wèn)題”。
——空間天氣預報
“如果我們把“一磁兩暴”研究清楚了，那么我們通過(guò)觀(guān)測磁場(chǎng)就可以提前預報什么時(shí)候發(fā)生耀斑，什么時(shí)候發(fā)生日冕物質(zhì)拋射，就像地球上的天氣預報一樣。”
“ASO-S的使命就是觀(guān)測和研究“一磁兩暴”，但在搞清這個(gè)問(wèn)題之前，它也可以通過(guò)監測日冕物質(zhì)拋射在太陽(yáng)上的爆發(fā)情況，預報對地球的可能影響，提前1-3天警示人類(lèi)做好防護工作。當然這項工作要與空間天氣專(zhuān)門(mén)的研究和服務(wù)部門(mén)聯(lián)合起來(lái)做，ASO-S提供給他們必要的數據產(chǎn)品。”
——為什么選擇2022？
“太陽(yáng)活動(dòng)具有11年的周期。為什么選擇22年發(fā)射，因為下一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期差不多從2021年開(kāi)始，2022年也處于開(kāi)始階段，然后是上升期，預期在2024到2025年左右達到峰值。所以2022年發(fā)射正好能覆蓋從開(kāi)始到上升期再到極大期，進(jìn)行連續不斷的觀(guān)測。4年也是衛星工作時(shí)長(cháng)界限。如果超過(guò)4年，衛星的研制費用就會(huì )變得非常高。當然，我們期望衛星在軌工作時(shí)間越長(cháng)越好。”
“我們能夠無(wú)間斷記錄4年，這本身就是非常珍貴的。從科學(xué)的角度來(lái)講，你在同一時(shí)間段內得到1萬(wàn)2千個(gè)事例和1200個(gè)事例做研究，應該說(shuō)影響不是很大。”
——目前衛星研發(fā)情況
記者從甘為群處了解到，先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺在2017年年底順利正式批復工程立項。目前衛星工程樣機已經(jīng)研制完成，進(jìn)度到工程飛行樣前期階段，即衛星已經(jīng)從圖紙上的概念，想法，做成了產(chǎn)品。衛星初樣性能通過(guò)了所有試驗，包括環(huán)境模擬、高低溫試驗等，預計今年1月底前完成整機轉正樣即飛行樣機研制階段，今年年底完成飛行樣機研制，2022年上半年擇機發(fā)射。
