现代的“夸父”卫星如何逐日?

  2022年10月9日7时43分,我国在酒泉卫星发射中心采用长征二号丁型运载火箭,成功将“夸父一号”发射升空,且卫星顺利进入预定轨道。

“夸父一号”发射景象 (图片来源:新华社)

  用了夸父这样的名字,朋友们很容易就能想到一个咱们的神话故事——夸父逐日。


  神话中的夸父

  神话中的远古时候,有一群力大无穷的巨人,他们的首领叫做“夸父”。有一年的天气非常热,火辣辣的太阳直射在大地上,烤死庄稼,晒焦树木,河流干枯。酷热让人难以忍受,夸父族的人纷纷死去。看着痛苦不堪的族人,夸父决心捉住太阳,让大家的生活回归正轨。

  夸父追逐太阳,一路追赶到太阳落下的地方。跑了这么久又累又被太阳烤,他感到口渴想要喝水,喝干了黄河、渭河的水,但这两条河的水还不够他止渴,于是他又出发去喝北方的大湖水,但夸父还没有到达大湖,就在半路渴死了。他死后,手中的手杖遗弃下来,化作了桃林,这片桃林终年茂盛,为往来的过客遮荫,结出的鲜桃,为勤劳的人们解渴。

  这段故事的原文是《山海经·海外北经》:“夸父与日逐走,入日。渴欲得饮,饮于河渭,河渭不足,北饮大泽。未至,道渴而死。弃其杖,化为邓林。”

人教版小学语文课文配图的夸父逐日 (图片来源:教材扫描)

  神话小故事中定义了“夸父”是追逐太阳的人,反映了古代人民探索大自然的强烈愿望和顽强意志。那么,人类观测、探索太阳的航天器,采用这个名字,是很有文化内涵的。


  现实中的“夸父”——先进天基太阳天文台(ASO-S)

  本文的主题——夸父一号卫星,笔者所在的单位正是牵头单位。

  这颗卫星的科学名称叫做先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory,简称ASO-S),早在2011年就已经由我国科学家自主提出,在中国科学院空间科学先导专项的支持下,ASO-S先后经历了预先研究、背景型号研究和综合论证,2017年底获得中国科学院批复正式工程立项,并最终研制发射。我们耳熟能详的“悟空”、“墨子号”、“慧眼”、“实践十号”、“太极一号”、“怀柔一号”这些卫星,都是该先导专项支持研发的。

  “夸父”这个名字其实早就被用于中国的太阳观测计划——北京大学涂传诒院士在2003年提出的“夸父计划”(Kuafu Mission),可惜计划最终未能实施。夸父计划曾经计划在每11年为周期的太阳活动峰值年份(2012-2014年)发射并探测太阳的活动,而ASO-S卫星也有此意,瞄准的是咱们现在正在经历的太阳活动第25周的峰年,并实现我国综合性太阳卫星探测零的突破。

  突破的是什么呢?ASO-S是一颗科学卫星,它的科学目标可以简称为“一磁两暴”——“一磁”就是太阳磁场,太阳和地球一样有磁场,甚至比地球的磁场更强,太阳上的日珥、黑子等等都与它的磁场有关;“两暴”则是指太阳上两类最剧烈的爆发现象,分别是太阳耀斑和日冕物质抛射,耀斑是太阳上耀眼的光斑,而“日冕物质抛射”指的是太阳爆发时把自己外层名为“日冕”的圈层中的物质大量喷出到太空当中。ASO-S对太阳的研究是多方面一体的,即观测和研究太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射的起源及三者之间可能存在的因果关系。

171Å(17.1nm)辐射成像下的太阳,能看到耀斑和日冕物质抛射 (图片来源:美国太阳动力学天文台SDO)

  对于ASO-S的名字,在2022年7月,卫星工程部门就向全国征名,共搜集到25000多份提名,其中三分之一都建议命名为“夸父”,最后选择使用“夸父一号”作为卫星的名称。也许可以说,从前未能实施的夸父计划,在这个新的太阳观测系列卫星身上,得到了新生。


  这颗卫星如何探测太阳呢?

  我们知道了“夸父一号”卫星正在帮助人类更好的认识太阳,通过的是对太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射这三者的观测和研究,但是它只是一颗地球周围的卫星,要怎么探测太阳上的这些事物呢?

  首先“夸父一号”卫星采用的是高度720千米左右、周期约99分钟的太阳同步晨昏轨道。所谓的太阳同步,是因为卫星飞行时受到非均匀的地球引力,轨道平面会缓缓转动,从宇宙中看,它一方面围绕地球飞行且跟随者地球绕太阳公转,另一方面轨道平面也围绕太阳转动,保持这个面一直朝向太阳。

  我们听说过月亮永远只有正面面向地球、永远也看不见背面,卫星的太阳同步轨道面也是如此,如同镜面的正反面,只有一面一直朝向太阳。“夸父一号”卫星采取的轨道平面更是沿着地球晨昏线的,这使得它几乎一年到头都可以晒到太阳——只有在每年的5月中旬到8月共约2.5个月的时间存在阴影,每天最长阴影时间18分钟。因此,它几乎一直可以观测太阳。

  那么它观测什么呢?那就要说到它的载荷。“夸父一号”卫星搭载了全日面矢量磁像仪(磁象仪)、莱曼阿尔法太阳望远镜和太阳硬X射线成像仪。

  磁场是一种看不见、摸不着的物质,但实际上经过“偏振”的太阳光,在没有磁场的区域就得到两个亮度相同的单色像,而在有磁场的区域就得到两个亮度不同的像,磁场愈强,两个像的亮度差愈大。因此,“夸父一号”卫星的全日面矢量磁像仪由成像光学系统、偏振光学系统、数据采集与处理系统三大功能块组成,在常规观测模式下,单磁场分量观测由128×2帧图像完成,一组矢量磁图用时2分钟,通过这种方式获得太阳磁场的信息。

中科院国家天文台怀柔太阳观测基地观测的一个区域的太阳矢量磁图

白色和黑色代表磁场正负,蓝色和红色箭头分别为正负极性处的横向磁场

  (图片来源:先进天基太阳天文台官网)

  “莱曼阿尔法”(Lyα)是一种辐射的波段,太阳莱曼阿尔法发射线是太阳紫外光谱中最强的一条发射线。早期研究表明,太阳耀斑发生期间,该谱线表现出明显的辐射增强,后来科学家发现它能很好的表征太阳外层的色球层、日冕等的特征。“夸父一号”的莱曼阿尔法全日面成像仪在波段(121.6±4.5 nm)以4-40秒的时间间隔对太阳从日面中心到1.2个太阳半径进行成像观测,可以帮助我们揭开太阳的神秘面纱。

  我们体检的时候有时会用穿透力很强的“X光”拍照检查身体的内侧,“硬X射线”是能量较高的x光,波长在0.01nm~0.1nm之间(如果波长大于0.1nm就叫软X射线了)。硬X射线也是太阳一种重要的辐射,太阳上的许多活动都可以用硬X射线更好地看到。因此,太阳硬X射线成像仪对太阳的拍照,也有助于研究太阳耀斑、日冕物质抛射等活动。

  有了这三种仪器,“夸父一号”卫星能够从多个方面探测太阳爆发,有助于研究太阳活动的科学原理,更有助于预报空间天气,为我国空间环境的安全提供保障。

  头顶的星辰大海始终是人类的向往,“夸父”逐日的故事告诉我们,在探索深空、探索自然的长路上,人类从未止步。


  出品:科普中国

  作者:王铮

  监制:中国科普博览

  编辑:孙晨宇