现代快报+ZAKER南京 06-13
2021年,三台望远镜有望组团上天,太阳再也不下山!
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现代快报讯 这几日,连续的雨天,让我们无缘和太阳见面。

连绵的雨,也让地面观测太阳的光学天文望远镜,只能关上天窗 " 休息 "。有没有办法让太阳天天见呢?为了能连续不断地对太阳进行观测,中国科学家正全力以赴推进太阳探测卫星计划。根据计划,我国第一颗太阳探测综合卫星— ASO-S 有望在 2021 年底前后射入轨道,以完整记录太阳活动,观测太阳的 " 一磁两暴 "。

△ ASO-S 卫星首席科学家甘为群研究员

ASO-S 是什么,它有些什么秘密?近日,现代快报记者跟随 ASO-S 卫星首席科学家甘为群研究员,走进位于中国科学院紫金山天文台的实验室。

去太空,首次实现一星三 " 镜 " 组合 " 飞天 "

ASO-S(Advanced Space-based Solar Observatory)是先进天基太阳天文台简称,是我国太阳物理界在 2011 年自主提出的太阳空间探测卫星计划,也是中国首颗太阳探测卫星。

△正在组装的 ASO-S 太阳硬 X 射线成像仪工程样机

甘为群介绍说,早在 1976 年,中国就尝试制造第一颗太阳观测卫星,由于种种原因,直到整整 44 年后的今天,中国仍没有自己的太阳 " 专属 " 探测卫星上天。" 从上世纪六十年代以来,世界各国先后发射了 70 多颗太阳探测相关卫星进入太空。中国的太阳物理研究位居世界第二,但用的都是‘别人家’的数据。" 甘为群说,让中国自己的太阳卫星 " 飞天 " 迫在眉睫。

不过,让太阳卫星上天不是一件容易的事。" 科学卫星研制是一个大的系统工程,在我国刚刚起步,涉及人员众多,需要相关各行业的科技工作者共同努力,除了卫星上有效载荷研制,还需要运载系统、发射场系统、测控系统、卫星系统、地面支撑系统、科学应用系统的配合,这些系统的高效运作显然还需要一个强有力的指挥和协调系统 "。

甘为群研究员告诉现代快报记者,2017 年底,中国科学院批复 ASO-S 卫星正式工程立项,经过 16 个月努力,团队攻克了项目中一系列关键技术难题,2019 年年中卫星顺利由方案设计阶段转至工程初样阶段,方案阶段表现和初样阶段进展被评为 2019 年度 " 中国天文十大科技进展 " 之一。

" 太阳上的物理现象十分丰富,其中太阳耀斑和日冕物质抛射是太阳上两类最剧烈的爆发现象,对地球空间环境的破坏性最大。现在一般认为,这两种现象均是由太阳磁场引起的。" 甘为群介绍说,ASO-S 的科学目标,就是要观测和研究太阳磁场、太阳耀斑、日冕物质抛射三者之间的关系,简称 " 一磁两暴 "。

为实现这一目标,ASO-S 上将搭载 3 个三台望远镜:太阳全日面矢量磁像仪、莱曼阿尔法太阳望远镜和太阳硬 X 射线成像仪。它们将分别用来观测太阳磁场、耀斑和日冕物质抛射。

科技感十足,91 对 " 小细眼 " 去观测 X 射线

在紫金山天文台实验室,现代快报记者见到了太阳硬 X 射线成像仪的工程样机,这台样机主要是用来验证 " 望远镜 " 的基本工作原理及性能。

△ ASO-S 太阳硬 X 射线成像仪工程样机上的 91 对光栅宽窄不同

和光学望远镜不同,实验台上的太阳硬 X 射线成像仪主体部分是一个长达 1 米多的方形钛合金框架,框架上有一个个的圆孔。这些圆孔都是用来接光栅的,上面一共有 91 对互相呼应的光栅,它们相当于是望远镜的镜头。" 这个镜头设计的主要难点在光栅的制作和对应光栅之间的准直校调 "。负责这台仪器研制的张哲副研究员介绍,91 对光栅宽窄不同,最窄的仅有 18 微米(1 微米为 1 毫米的千分之一),装配时必须要确保两个光栅在一米多的距离上对准对齐,还不能受环境变化,否则就无法成像;此外,该仪器的光栅厚度有要求,制作难度大,每个光栅都是由数十层叠加而成,其中最窄的 1 对光栅光成本就在百万人民币量级。

△ ASO-S 太阳硬 X 射线成像仪准直器(原理样机)

记者了解到,每对光栅后端还将安装量能器,相当于相机的感光元件,然后连接电控箱,将采集到的数据传到星上计算机。为了确定 X 射线源的位置,框架后端还安装了可见光相机,通过拍摄太阳来定位。

△ ASO-S 太阳硬 X 射线成像仪量能器(工程样机)

与地面仪器不同,卫星升空过程中会带来震动、加速度、温度、真空等变化,所以该望远镜不仅采用的是钛合金框架,而且装有多个热控贴点,通过热控设计可以将望远镜的前后端温差控制在 1 度以内。该工程样机还需要在中国科学院上海微小卫星创新研究院的 ASO-S 卫星系统经过各类环境模拟测试,最终上天的仪器将完全按初样件复制。

据悉,太阳硬 X 射线成像仪是卫星上三台仪器中尺寸最大的一台,设计的卫星总重近 1 吨,三台望远镜总重为 300 多公斤。按照目前进展情况,该卫星可望按计划在 2021 年底前后发射,卫星设计寿命不少于 4 年。

不怕阴雨天,卫星上看到的是 " 永不下山 " 的太阳

把望远镜送到太空去观测不仅可以避免地球大气层的影响,更主要地是拓展了观测波段范围,增加了观测时间。ASO-S 卫星拟采用高度为 720 公里、周期约为 90 分钟的太阳同步晨昏轨道。

甘为群研究员告诉记者,这样的轨道设计可以保证几乎不间断的连续对太阳进行观测,每年只有 5 月中旬到 8 月约 2 个半月的时间存在阴影,最长阴影时间约 18 分钟。通俗的说,就是只有这两个多月期间,卫星每次绕地球一圈的 90 分钟时间内,会有几分钟(最长 18 分钟)无法观测太阳。

" 我们这颗太阳探测卫星发射成功后,预计每天将发送大约 500GB 的数据至中国科学院国家空间科学中心的 ASO-S 地面支撑系统,数据经过简单处理后被传送至紫金山天文台的 ASO-S 科学应用系统,数据经过一系列的处理,及时地变成科学级数据,存储在 ASO-S 数据库,连同数据分析软件,都会适时公布在 ASO-S 网站上,供国内外用户使用。前期我们已经在国际上开展了宣传,我们希望利用 ASO-S 数据开展太阳物理前沿研究的人越多越好 "。甘为群研究员表示,ASO-S 数据秉承共享理念,不设门槛,普通公众也可以进入网站查看数据,同时还会基于 ASO-S 观测设有专门的科普栏目。

太阳有暴脾气?提前预报灾害

在太阳系里,太阳是 " 内心戏 " 很足的星球,会耍脾气,会 " 打喷嚏 ",爆发太阳耀斑、日冕物质抛射等。

△太阳表面有日珥 许军 摄

别看太阳只是打个 " 喷嚏 " 而已,却会引发灾害性空间天气事件。在人类历史的记载中,对地球造成影响最大的太阳耀斑事件是发生在 1859 年的卡林顿事件,使电报系统都着了火,整个地球包括赤道地区都看到了极光。这次事件如果发生在今天,将会重创各种现代化系统,大量的设施设备将会瘫痪或损坏,至少造成数万亿美元的损失,而恢复可能需要很长的时间。此外,太阳耀斑也会对地球轨道上的卫星和空间站的宇航员形成巨大威胁,不过由于地球磁场的保护,地球上的生命并不会受到太阳耀斑的严重威胁,但会严重影响供水、供电、能源(输油管道)、交通、通讯等基础设施。

△太阳黑子 许军 摄

甘为群研究员表示,作为我国第一颗太阳探测综合卫星,我们对 ASO-S 卫星的科学成果充满期待,弄清太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射三者之间的因果关系,也将为严重影响人类生存环境的空间天气提供预报的物理基础。

记者了解到,目前国际上的空间天气预报水平相当于上世纪 60、70 年代的天气预报水平,我们也期待通过 ASO-S 的成功发射和运行,空间天气预报能上一个新的台阶,这样我们就可以更好地应对太阳爆发对地球产生的灾害,造福全人类。

现代快报 +/ZAKER 南京记者 许军 胡玉梅 / 文 顾炜 / 摄

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