2022年10月9日7時(shí)43分,我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心采用長征二號丁型運(yùn)載火箭,成功將“夸父一號”發(fā)射升空,且衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道。
“夸父一號”發(fā)射景象 (圖片來源:新華社)
用了夸父這樣的名字,朋友們很容易就能想到一個(gè)咱們的神話故事——夸父逐日。
神話中的夸父
神話中的遠(yuǎn)古時(shí)候,有一群力大無窮的巨人,他們的首領(lǐng)叫做“夸父”。有一年的天氣非常熱,火辣辣的太陽直射在大地上,烤死莊稼,曬焦樹木,河流干枯。酷熱讓人難以忍受,夸父族的人紛紛死去??粗纯嗖豢暗淖迦?,夸父決心捉住太陽,讓大家的生活回歸正軌。
夸父追逐太陽,一路追趕到太陽落下的地方。跑了這么久又累又被太陽烤,他感到口渴想要喝水,喝干了黃河、渭河的水,但這兩條河的水還不夠他止渴,于是他又出發(fā)去喝北方的大湖水,但夸父還沒有到達(dá)大湖,就在半路渴死了。他死后,手中的手杖遺棄下來,化作了桃林,這片桃林終年茂盛,為往來的過客遮蔭,結(jié)出的鮮桃,為勤勞的人們解渴。
這段故事的原文是《山海經(jīng) 海外北經(jīng)》:“夸父與日逐走,入日??视蔑?,飲于河渭,河渭不足,北飲大澤。未至,道渴而死。棄其杖,化為鄧林?!?/span>
人教版小學(xué)語文課文配圖的夸父逐日 (圖片來源:教材掃描)
神話小故事中定義了“夸父”是追逐太陽的人,反映了古代人民探索大自然的強(qiáng)烈愿望和頑強(qiáng)意志。那么,人類觀測、探索太陽的航天器,采用這個(gè)名字,是很有文化內(nèi)涵的。
現(xiàn)實(shí)中的“夸父”——先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)(ASO-S)
本文的主題——夸父一號衛(wèi)星,筆者所在的單位正是牽頭單位。
這顆衛(wèi)星的科學(xué)名稱叫做先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)(Advanced Space-based Solar Observatory,簡稱ASO-S),早在2011年就已經(jīng)由我國科學(xué)家自主提出,在中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)的支持下,ASO-S先后經(jīng)歷了預(yù)先研究、背景型號研究和綜合論證,2017年底獲得中國科學(xué)院批復(fù)正式工程立項(xiàng),并最終研制發(fā)射。我們耳熟能詳?shù)摹拔蚩铡?、“墨子號”、“慧眼”、“?shí)踐十號”、“太極一號”、“懷柔一號”這些衛(wèi)星,都是該先導(dǎo)專項(xiàng)支持研發(fā)的。
“夸父”這個(gè)名字其實(shí)早就被用于中國的太陽觀測計(jì)劃——北京大學(xué)涂傳詒院士在2003年提出的“夸父計(jì)劃”(Kuafu Mission),可惜計(jì)劃最終未能實(shí)施。夸父計(jì)劃曾經(jīng)計(jì)劃在每11年為周期的太陽活動(dòng)峰值年份(2012-2014年)發(fā)射并探測太陽的活動(dòng),而ASO-S衛(wèi)星也有此意,瞄準(zhǔn)的是咱們現(xiàn)在正在經(jīng)歷的太陽活動(dòng)第25周的峰年,并實(shí)現(xiàn)我國綜合性太陽衛(wèi)星探測零的突破。
突破的是什么呢?ASO-S是一顆科學(xué)衛(wèi)星,它的科學(xué)目標(biāo)可以簡稱為“一磁兩暴”——“一磁”就是太陽磁場,太陽和地球一樣有磁場,甚至比地球的磁場更強(qiáng),太陽上的日珥、黑子等等都與它的磁場有關(guān);“兩暴”則是指太陽上兩類最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象,分別是太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射,耀斑是太陽上耀眼的光斑,而“日冕物質(zhì)拋射”指的是太陽爆發(fā)時(shí)把自己外層名為“日冕”的圈層中的物質(zhì)大量噴出到太空當(dāng)中。ASO-S對太陽的研究是多方面一體的,即觀測和研究太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射的起源及三者之間可能存在的因果關(guān)系。
171 (17.1nm)輻射成像下的太陽,能看到耀斑和日冕物質(zhì)拋射 (圖片來源:美國太陽動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)SDO)
對于ASO-S的名字,在2022年7月,衛(wèi)星工程部門就向全國征名,共搜集到25000多份提名,其中三分之一都建議命名為“夸父”,最后選擇使用“夸父一號”作為衛(wèi)星的名稱。也許可以說,從前未能實(shí)施的夸父計(jì)劃,在這個(gè)新的太陽觀測系列衛(wèi)星身上,得到了新生。
這顆衛(wèi)星如何探測太陽呢?
我們知道了“夸父一號”衛(wèi)星正在幫助人類更好的認(rèn)識太陽,通過的是對太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射這三者的觀測和研究,但是它只是一顆地球周圍的衛(wèi)星,要怎么探測太陽上的這些事物呢?
首先“夸父一號”衛(wèi)星采用的是高度720千米左右、周期約99分鐘的太陽同步晨昏軌道。所謂的太陽同步,是因?yàn)樾l(wèi)星飛行時(shí)受到非均勻的地球引力,軌道平面會(huì)緩緩轉(zhuǎn)動(dòng),從宇宙中看,它一方面圍繞地球飛行且跟隨者地球繞太陽公轉(zhuǎn),另一方面軌道平面也圍繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng),保持這個(gè)面一直朝向太陽。
我們聽說過月亮永遠(yuǎn)只有正面面向地球、永遠(yuǎn)也看不見背面,衛(wèi)星的太陽同步軌道面也是如此,如同鏡面的正反面,只有一面一直朝向太陽?!翱涓敢惶枴毙l(wèi)星采取的軌道平面更是沿著地球晨昏線的,這使得它幾乎一年到頭都可以曬到太陽——只有在每年的5月中旬到8月共約2.5個(gè)月的時(shí)間存在陰影,每天最長陰影時(shí)間18分鐘。因此,它幾乎一直可以觀測太陽。
那么它觀測什么呢?那就要說到它的載荷?!翱涓敢惶枴毙l(wèi)星搭載了全日面矢量磁像儀(磁象儀)、萊曼阿爾法太陽望遠(yuǎn)鏡和太陽硬X射線成像儀。
磁場是一種看不見、摸不著的物質(zhì),但實(shí)際上經(jīng)過“偏振”的太陽光,在沒有磁場的區(qū)域就得到兩個(gè)亮度相同的單色像,而在有磁場的區(qū)域就得到兩個(gè)亮度不同的像,磁場愈強(qiáng),兩個(gè)像的亮度差愈大。因此,“夸父一號”衛(wèi)星的全日面矢量磁像儀由成像光學(xué)系統(tǒng)、偏振光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)三大功能塊組成,在常規(guī)觀測模式下,單磁場分量觀測由128 2幀圖像完成,一組矢量磁圖用時(shí)2分鐘,通過這種方式獲得太陽磁場的信息。
中科院國家天文臺(tái)懷柔太陽觀測基地觀測的一個(gè)區(qū)域的太陽矢量磁圖
白色和黑色代表磁場正負(fù),藍(lán)色和紅色箭頭分別為正負(fù)極性處的橫向磁場
(圖片來源:先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)官網(wǎng))
“萊曼阿爾法”(Ly )是一種輻射的波段,太陽萊曼阿爾法發(fā)射線是太陽紫外光譜中最強(qiáng)的一條發(fā)射線。早期研究表明,太陽耀斑發(fā)生期間,該譜線表現(xiàn)出明顯的輻射增強(qiáng),后來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它能很好的表征太陽外層的色球?qū)?、日冕等的特征。“夸父一號”的萊曼阿爾法全日面成像儀在波段(121.6 4.5 nm)以4-40秒的時(shí)間間隔對太陽從日面中心到1.2個(gè)太陽半徑進(jìn)行成像觀測,可以幫助我們揭開太陽的神秘面紗。
我們體檢的時(shí)候有時(shí)會(huì)用穿透力很強(qiáng)的“X光”拍照檢查身體的內(nèi)側(cè),“硬X射線”是能量較高的x光,波長在0.01nm~0.1nm之間(如果波長大于0.1nm就叫軟X射線了)。硬X射線也是太陽一種重要的輻射,太陽上的許多活動(dòng)都可以用硬X射線更好地看到。因此,太陽硬X射線成像儀對太陽的拍照,也有助于研究太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射等活動(dòng)。
有了這三種儀器,“夸父一號”衛(wèi)星能夠從多個(gè)方面探測太陽爆發(fā),有助于研究太陽活動(dòng)的科學(xué)原理,更有助于預(yù)報(bào)空間天氣,為我國空間環(huán)境的安全提供保障。
頭頂?shù)男浅酱蠛J冀K是人類的向往,“夸父”逐日的故事告訴我們,在探索深空、探索自然的長路上,人類從未止步。
出品:科普中國
作者:王錚
監(jiān)制:中國科普博覽
編輯:孫晨宇