“羲和号”升空，中国迎来“探日时代”
撰文 | 庞之浩
责编 | 董惠玥
10月14日18时51分，我国在太原卫星发射中心成功发射首颗太阳观测卫星“羲和号”——“太阳hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星”，标志我国正式进入“探日时代”。
2021年底前后，我国还计划把一个“先进天基太阳天文台”送到地球轨道，以进一步增加对太阳的认识。
太阳是地球的生命之源，为生命提供光和热，使万物葱茏；但这个脾气有些暴躁的火球也经常对地球人的生活造成威胁。
现在人们认识到，太阳风暴对人类社会的危害越来越大，有的可导致地球磁层和电离层扰动，造成航天器轨道衰变，卫星载荷发生故障甚至毁坏，威胁承担载人任务的航天员的健康，干扰通信和导航系统，以及引起电网超载等等。例如，1989年发生的一次太阳风暴就使加拿大魁北克地区发生了大规模停电；2003年再次发生的太阳风暴，使瑞典电网电力中断，并导致多颗在轨卫星发生了故障。
其实，科学家们很早就开始观测太阳，因为有两大基本意义：一是作为宇宙中目前唯一可以进行高空间分辨表面观测的恒星，观测太阳具有天体物理学上的重要性；二是由于人类依存于太阳，因此需要认识太阳的变化及其对人类的影响。
可是，在地面上的可见光波段观测太阳会受到阴雨天气影响，导致我们无法做到连续观测。 同时，还会受到地球大气吸收、扰动等因素的影响，使得观测分辨率很低。 所以，用卫星观测太阳就成为了解和研究太阳的一个重要技术手段。
从20世纪60年代起至今，全球已有几十颗太阳观测卫星升空，以便摸清太阳的脾气，了解太阳磁场中蕴藏的能量以及该能量对地球的影响，实现空间天气预报。这不仅对认识宇宙有重大意义，而且可为有效防护太阳的危害提供可靠的依据。
1962年3月，美国发射了世界第一颗太阳观测卫星——轨道太阳观测台-1。在1962至1975年期间，美国共发射了8颗“轨道太阳观测台”，主要测量太阳x射线和γ射线，以及预报太阳耀斑，为载人航天任务提供空间天气基本数据。
在1963至1976年期间，美国共发射了11颗“太阳辐射卫星”，在十一年的太阳活动周期内监测了太阳耀斑事件，并预报了太阳耀斑事件。
上世纪80年代发射的“太阳峰年卫星”
此后，美国又发射了“太阳峰年卫星”、“太阳-磁层探测者”、“太阳异常和磁层粒子探测者”、“过渡区和日冕探测者”、“高能太阳光谱成像仪”、“太阳辐射与气候实验卫星”等一系列太阳观测卫星。当然，苏联、日本、欧洲航天局等其他国家和相关机构也发射了一些太阳观测卫星。
上世纪90年代发射的“太阳异常和磁层粒子探测者”
另外，在20世纪60至90年代期间升空的“太阳神”、“尤利塞斯”等航天器，进入到日心轨道对太阳进行了观测。第一个进入拉格朗日l1点观测太阳的航天器是美国在1978年发射的国际日地探测者-3。接着，美国的“风”和欧洲的“太阳和日球层观测台”也进入到拉格朗日l1点观测太阳。
“尤利塞斯”航天器
然而，随着美国从20世纪90年代起开始实施“大观测计划”，即陆续发射了“哈勃”、“康普顿”、“钱德拉”和“斯皮策”等非太阳观测天文卫星后，太阳观测卫星发射进入了低潮。
在20世纪90年代，只有在1995年12月升空的欧洲“太阳和日球层观测台”最为著名，它进入到地球上方150万千米的“日晕”轨道上，这里没有黑夜，因此可在永远是白昼的条件下对太阳进行不间断的探测。 “太阳和日球层观测台”对太阳进行了广泛的研究，揭示了不少其内部深层和外部强烈的大气活动的秘密。 而且，它不仅可以观测太阳面向地球的一面，还能观测太阳的另一面。
1978年发射的国际日地探测者-3
近些年来，人们发现太阳对地球气候和空间天气的影响越来越巨大。例如，太阳耀斑爆发时可将宇宙粒子喷射抵达地球，从而中断卫星通信，甚至导致地面供电中断，因此监控和研究太阳的活动性十分重要。 于是，一些国家又重新开始青睐太阳观测卫星的研制和发射。
2006年9月,日本用m-5火箭发射了一颗由日本抓总研制的太阳-b（又称“日出”）卫星。它先进入近地点高度约280千米、远地点高度约686千米、轨道倾角为98.3°的初始轨道，用于测量太阳磁场，以更好地认识影响地球的剧烈的太阳活动。该卫星能够对太阳磁场进行迄今最近距离的观测，通过监控太阳磁场对太阳耀斑获得更多的了解。
升空三周后，太阳-b卫星进入距地面600千米高的太阳同步轨道上，从当年11月开始了正式观测。 它每年能对太阳进行8个多月的全天连续观测，这有助于帮助人类揭开日冕形成的原因等秘密。星上的仪器可对磁场的运动和太阳大气层做出的反应进行监测，观测重点集中在耀斑的引爆阶段。通过观测太阳系中发生的最强烈的爆炸，最终对它们发生的时间进行预测。
该卫星用于拍摄太阳图像和研究太阳耀斑，重点研究太阳耀斑的喷发阶段，记录太阳磁场如何储存和释放大量能量，测量太阳磁场运动及其对太阳大气的影响。 它主要关注太阳耀斑的引发阶段，对磁场的运动和太阳大气层做出的反应进行监测，为了解和预测太阳扰动提供重要信息，帮助人们深入了解和预测太阳对地球造成的影响。
太阳-b有四大使命：
它重约900千克，装有日本与美国和英国联合研制的太阳光学望远镜、太阳x射线望远镜和远紫外成像光谱仪共三台科学观测仪器，可观测太阳发出的可见光、紫外线和x射线。它们协同测量太阳大气圈的不同层圈，对太阳特性进行连续的同步观测，观测太阳大气层的不同层面以及太阳表面遍布的大气层磁场是如何变化的，帮助人们认识太阳磁场在大气层中随高度变化的具体情况。
口径50厘米的太阳光学望远镜的角分辨率达到0.2″，并配有滤光器型磁像仪和分光偏振计，可获取高精度的太阳矢量磁图和多普勒图等，是人类首台在太阳光球层内测量太阳磁场强度和方向的天基仪器。
“太阳和日球层观测平台” 记录下的一次日冕物质抛射，也就是cme
太阳x射线望远镜由其前任太阳-a卫星配备的软x射线望远镜发展而来，角分辨率达到1″，能对温度高达50万～1000万℃的太阳的外大气层日冕进行观测。日冕是太阳耀斑和日冕喷发的发源地。在磁场的作用下，太阳的剧烈活动对太阳和地球之间的区域以及地球本身都具有极大的影响。通过观测，可以研究太阳磁场在太阳耀斑和日冕物质喷发时的变化。
远紫外成像光谱用于测量色球（介于光球和日冕之间的区域）中太阳粒子的速度，同时还可以测量太阳等离子体的速度、温度和密度及其它特性。此外，还能用来研究磁重联等现象。它在太阳光学望远镜和太阳x射线望远镜之间起着关键的连接作用。
依靠这“三只眼”，太阳-b重点研究太阳磁场和日冕之间的相互作用，从而加深对太阳大气动力机制等方面的了解，获取更多有关太阳如何向外抛射高能粒子等信息。
2006年10月，美国抓总研制的一对孪生太阳观测卫星——“日地关系观测台”升空。 这两颗卫星主要利用在太空中相互错开的优越定位“注视”太阳，首次为人类展示了太阳黑子爆发时的全景三维图像，并前所未有地展现了日地之间能量流动的独特景象，帮助科学家研究了太阳周边环境以及太阳活动对整个太阳系造成的影响，以及日冕的产生、活动及其喷发带来的后果，更精准地观测了太阳爆发。
2006年10月25日，美国用德尔他-2火箭成功发射了世界第一对孪生太阳观测卫星——“日地关系观测台”（stereo）
“日地关系观测台”第一次从地球轨道传回了太阳爆发时的三维图像，这些图像有助于天文学家对太阳风暴对航天员和通信卫星所造成的影响做出准确的预测，极大地增进了对太阳爆发的了解。它还首次对日地之间的“太空天气”进行了拍照与追踪，首次通过无线电三角定位法连续确定了行星际激波的位置，以及首次对太阳活动进行了拍照，并在1天文单位的尺度内对高能粒子进行了实地测量。
此前，欧洲“太阳与日光层观测台”在对“日冕物质抛射”等现象进行观测时，能以10～15分钟一张的速度对太阳拍照。但是，从这些平面图片上，科学家很难判断“日冕物质抛射”是直奔地球还是远离地球而去，无法对其破坏性进行准确地观测。在采用了“日地关系观测台”之后，双星可同时完成对太阳的拍摄，能让科学家得到一幅立体的图像。
这对卫星的另一项重要使命是提前预报太阳风暴，探索太阳系内“日冕物质抛射”的缘起、演化及星际影响，进一步认识太阳，揭示太阳与地球的本质关系，了解太阳的稳定性对今后地球大气、气候和环境的影响，减轻“日冕物质抛射”和太阳耀斑对航天器和航天员的负面影响，把磁暴预警时间大幅缩短。
每个“日地关系观测台”都装有16台共4组探测仪器，即“日地关系日冕与日光层探测仪”、“粒子与日冕物质抛射原位测量仪”、“等离子体与超灼热粒子成分分析仪”和“行星际射电暴追踪仪”。
进入绕日轨道后，虽然这对“日地关系观测台”的轨道与地球轨道处于同一个平面上（太阳系大多数行星的轨道都处于这个面），但它们的飞行轨道正好像照镜子一样对称，始终被定位在地球的“两侧”。一个在地球围绕太阳运行轨道的前面，被称为“日地关系观测台-a”；另一个则在轨道的后面,名为“日地关系观测台-b”。
这是模仿人用两只眼睛观察事物的方法，从不同方位搜集太阳信息后将之传送回地球；也是人类同时操纵2颗太阳观测卫星飞行。科学家再综合原来地面实验室在地球表面和低地球轨道观测所得的数据，选取相关联的数据将之合成为三维的太阳图像，并分析太阳辐射及其对地球影响的数据。
通过对它们的观测，科学家们首度构建了太阳的三维视图。这些图像能显示出太阳风暴环境及其对太阳系内部的影响。这些数据对于理解太阳如何创造太空气候至关重要。
2010年2月，美国“太阳动力学观测台”升空。 它能确保几乎不间断地观察太阳磁场、喷发的等离子体和众多其它现象。每天能收集到有关这些现象远比现有卫星收集的信息要更多，从而能更准确和更及时地预测空间天气。该卫星用于了解太阳变化的特征和研究太阳对气候、通信系统、航天器工作的影响等问题，推进了“人类与日共存”国际空间合作计划。
“太阳动力学观测”卫星
升空后的“太阳动力学观测台”运行在地球同步轨道，目的是为了能连续观测太阳。卫星上没有安装星载记录器，而是使用了一个连续的下行链路。有关太阳信息的庞大数据流（1.5太比特/天）能让科学家们对太阳的多种状态和太阳对地球的影响产生新的理解。
该卫星每0.75秒获得一幅图像（“太阳和日球层观测台”每12分钟提供一张图片，“日地关系观测台”每90秒提供一张图片）。所有的图像都有4096×4096像素，成像的分辨率比高清电视的好10倍，可揭示太阳活动的每一细节；它每天能向地面转送1.5太比特有关太阳信息的庞大数据流。所发回的数据将是美国航空航天局以前任何一颗太阳观测卫星的50倍，每天向地面发送的数据相当于每天传送50万首歌曲。所以，它有助于研究太阳大气，观测太阳活动周期起因，并使得科学家们对太阳的多种状态以及太阳对地球的影响产生新的理解。
“太阳动力学观测台”主要实现以下七大科学目标：
为此，“太阳动力学观测台”卫星携带了三个主要仪器，分别是大气成像组件、极紫外变化性实验仪器以及日震与磁成像仪。
大气层像部件首次提供了多谱段、近同时、覆盖宽的连续温度范围的高分辨率日冕图像。
极紫外变化性实验仪器主要用于测量源于太阳色球层、过渡区和日冕的太阳极紫外射线辐照度，帮助科学家进一步认识太阳极紫外射线对地球空间环境及人类的影响，并掌握太阳极紫外射线辐照度的特性和变化规律。
日震与磁成像仪用于测量太阳光球层的运动，研究太阳的内部结构和磁活动的各个分量以及太阳震荡，测量谱线的偏振、光球层磁场的三分量，以及估计日冕磁场。 这些测量结果能帮助研究者掌握太阳变化的内部源和机制，了解太阳内部的物理过程与表面磁场和表面活动相关的信息，并认识太阳大气层的变化性。
我国今天发射成功的“太阳hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星”，运行在高517公里高的太阳同步轨道上。 其主要科学载荷是带有hα滤光片的太阳hα成像光谱仪。它将在国际上首次实现对太阳hα波段的光谱成像观测，填补太阳爆发源区高质量观测数据的空白。
太阳hα谱线是太阳爆发时响应最强的色球谱线，能够直接反映太阳爆发的源区特征。通过对这条谱线的数据分析，可获得太阳爆发时大气温度、速度等物理量的变化，有助于研究太阳爆发的动力学过程及物理机制，弥补当前空间望远镜在太阳低层大气（光球和色球）观测上的不足，显著提高我国在太阳物理领域的国际影响力。
该太阳观测卫星可在同一时间得到hα波段附近任意波长点的全日面图像，实现全天候、高时空分辨率、高光谱分辨率的太阳观测，为太阳爆发的研究提供准确可靠的数据。卫星在轨运行期间，它将观测太阳耀斑和日冕物质抛射的光球及色球表现，探究太阳爆发的源区动态特性和触发机制。同时，它将探测太阳暗条形成和演化过程的色球表现，揭示其与太阳爆发的内在联系。此外，它还将获取全日面hα波段多普勒速度分布，研究太阳低层大气动力学过程，为解决“太阳爆发由里及表能量传输全过程物理模型”等科学问题提供重要支撑。
但实现高光谱分辨率成像则要求成像过程中探测载荷具有极高的指向精度和稳定度，所以这对该卫星平台的性能提出了极大的挑战。为此，它采用了超高指向精度、超高稳定度平台（简称“双超”卫星平台）设计。首次在轨应用磁浮技术，实现了平台舱、载荷舱可分离式构型设计，从而使载荷舱具有超高精度指向控制和超高稳定度，较现有水平提升1～2个数量级，这对我国卫星空间科学探测及卫星技术发展具有重要意义。
另外据悉，我国将在2021年底左右发射 “先进天基太阳天文台”。它运行在高720公里的太阳同步轨道上，能二十四小时对太阳进行连续不断地观测，设计寿命至少4年。因此，“先进天基太阳天文台”可在太阳第25活动周的峰年期间，对太阳强烈爆发活动进行多波段、高质量的观测和研究。
“先进天基太阳天文台”是中国科学院空间科学战略性先导专项之一，将携带三台重要科学观测仪器。其中的莱曼阿尔法太阳望远镜在一个国际上最新的观测波段窗口工作，用于观测日冕物质抛射；硬x射线成像仪拥有国际上同类望远镜中最多的99个探测器，用于观测太阳耀斑爆发的非热现象；全日面矢量磁像仪的时间分辨率则相对较高，用于观测太阳磁场。
这颗太阳观测卫星能同时观测对地球空间环境具有重要影响的太阳上两类最剧烈的爆发现象——耀斑和日冕物质抛射；研究耀斑和日冕物质抛射的相互关系和形成规律；观测全日面太阳矢量磁场，研究太阳耀斑爆发和日冕物质抛射与太阳磁场之间的因果关系；观测太阳大气不同层次对太阳爆发的响应，研究太阳爆发能量的传输机制及动力学特征；探测太阳爆发，预报空间天气，为我国空间环境的安全提供保障。
运行在地球轨道的太阳观测卫星已取得了很大成就，但为了获得更有价值、更高分辨率的太阳科学数据，目前研制、发射对太阳进行近距离探测的太阳探测器正悄然兴起。
因为它除了有太阳观测卫星的优点外，还具备一些其它“绝活”。 例如，太阳探测器可以对太阳背面进行观测，获得太阳背面的活动数据，这有助于对太阳电磁风暴进行中短期预报；也能对太阳极区进行观测，从而全面研究太阳风暴对日地空间环境的影响。
为了解答有关太阳的最深层谜团——日冕的高温和太阳风令人不解的加速，美国在2018年8月发射了“帕克太阳探测器”。其最大亮点是能“触及太阳”，即在距离太阳表面大约9个太阳半径的地方——约600万千米，对太阳进行全方位探测，获取日冕、太阳风等方面的信息。
它在严酷的高温和辐射条件首次穿过了太阳大气层日冕，是第一次正式探访恒星的人造物体，并首次对太阳进行全方位探测，嗅到、尝到太阳的味道，所获数据有望“完全颠覆”以往对太阳的认知。
“帕克太阳探测器”飞抵太阳附近示意图
“帕克太阳探测器”的主要任务是追踪能量和热量如何通过太阳日冕，以及探索加速太阳风和太阳能粒子的作用。 其探测数据能解答一些长期以来困扰着天文学家的难题，有助于揭示太阳的运行机制，了解太阳与行星、地球的关系，提高人类预测太空天气的能力，改善会影响地球生命的主要天气事件，以及协助太阳观测卫星、甚至是在太空工作的航天员对太阳的观测。
在为期六年的任务中，“帕克太阳探测器”将多次利用金星的引力助推来逐渐靠近太阳，它从太阳近处飞过的次数将达到24次。
由于“帕克太阳探测器”要在太阳大气深处工作，所以会承受前所未有的高温以及太阳辐射的考验。 因此，“帕克太阳探测器”装有一个碳复合材料防热罩，它可承受1650°c的高温，几乎可保障所有仪器的安全，使探测器的内部温度保持在约29°c。
2020 年2月，欧洲抓总的“太阳轨道器”也升空了。 它能近距离观察太阳的一些前所未见的区域，比如太阳的两极计划，并近距离探测太阳风等离子体、高能粒子等。 此探测器也可承受高温，在距离太阳60倍太阳半径距离（大约4000万千米）处工作，这比水星的轨道稍近（最内侧的水星轨道距离太阳约5800万千米）。
目前，人类对太阳极地的了解还很少，“太阳轨道器”可成为首个能直接为太阳两极拍照的探测器。它还将利用其独特的轨道，更好地了解太阳的磁场。
美国“帕克太阳探测器”是在太阳风刚形成并离开日冕时捕捉太阳风，把原始观测结果传回地球；欧洲 “太阳轨道器”所处的位置可让其很好地观察太阳的两极，它提供的信息有助于科学家洞悉太阳风的结构和行为在不同纬度的变化情况。 这两款探测器协同作战，优势互补，有助于科学家进一步揭开太阳风的“庐山真面目”。
可以预见的是，这些近太阳探测任务在未来将为揭示太阳奥秘做出卓越贡献，能使未来空间天气的预报、地球灾害预警更加精确。对太阳的观测或探测正在向多波段、多视角、近距离、高时空分辨率的方向发展，这些已成为推动太阳物理学科发展的主要动力。
