“羲和號(hào)”作為中國(guó)首顆太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星

于2021年10月14日成功發(fā)射升空

并順利進(jìn)入平均高度517公里的

太陽(yáng)同步軌道

這標(biāo)志著中國(guó)正式進(jìn)入空間探日時(shí)代

做什么？怎么做？

以及一些相關(guān)的科技巧思

“羲和號(hào)”的正式全稱是“太陽(yáng)Hα光譜探測(cè)與雙超平臺(tái)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星”。它通過(guò)分析光譜的方法，研究和太陽(yáng)爆發(fā)相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題。

——跑個(gè)題，“太陽(yáng)爆發(fā)”不是太陽(yáng)變成紅巨星的世界末日，更不是超新星式的“太陽(yáng)爆炸”（我們的太陽(yáng)沒有那個(gè)貴命），而是體現(xiàn)在太陽(yáng)大氣層的黑子、耀斑、日珥、日冕物質(zhì)拋射等表層活動(dòng)。這些太陽(yáng)活動(dòng)，大家在一生中都經(jīng)歷過(guò)幾十回乃至幾百回，不要恐慌。

比如剛剛過(guò)去的10月28日，太陽(yáng)朝向地球一側(cè)爆發(fā)了一次X1級(jí)耀斑，在太陽(yáng)大氣層中產(chǎn)生了一次等離子體“井噴”。此次耀斑爆發(fā)還造成了一次日冕物質(zhì)拋射，直沖地球而來(lái)，并于11月1日抵達(dá)地球，為世界各個(gè)高磁緯地區(qū)帶來(lái)極光。

回到正題上來(lái)，“羲和號(hào)”通過(guò)分析太陽(yáng)的Hα波段附近的光譜，來(lái)研究太陽(yáng)爆發(fā)時(shí)的大氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程和物理機(jī)制。

Hα指的是氫（H）的最引人注目的（α）那條譜線，它的波長(zhǎng)是656.281nm，是顏色深紅的可見光。Hα標(biāo)志著氫原子電子從第三能級(jí)到第二能級(jí)的躍遷。還不太了解能級(jí)躍遷的讀者不需要對(duì)此感到頭痛，只要知道Hα指的是氫等離子體的大量存在就可以了。

如果只是一條干凈利落的656.281nm譜線，那就是生活單調(diào)乏味的氫，也沒什么可研究的。而在活躍的太陽(yáng)表面，由于太陽(yáng)大氣的高速運(yùn)動(dòng)，這條譜線就會(huì)發(fā)生變化。

如何變化呢？老朋友“多普勒效應(yīng)”此時(shí)就要登場(chǎng)了。我們走在路上，有時(shí)會(huì)遇到救護(hù)車?yán)扬w馳而過(guò)。當(dāng)它擦身而過(guò)時(shí)，我們會(huì)留意到它的警笛聲忽然降調(diào)了，原本唱的“so-mi-so-mi”，忽然變成了“mi-do-mi-do”，這就是多普勒效應(yīng)——當(dāng)波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，在其運(yùn)動(dòng)方向接收到的波長(zhǎng)會(huì)變短（頻率會(huì)升高），在背向其運(yùn)動(dòng)方向上，接收到的波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)（頻率會(huì)降低）。

為了形象速記，我們也可以說(shuō)，“多普勒效應(yīng)”就是“運(yùn)動(dòng)的物體把它前方的波形擠壓得更致密，后方拉伸得更稀疏”。

光也是一種波，所以光也會(huì)有多普勒效應(yīng)。那么，為何救護(hù)車的音調(diào)變化很容易感知，而我們對(duì)著紅燈沖過(guò)去時(shí)，卻不能把低頻的紅燈看成高頻的綠燈呢？因?yàn)槁曇羰且环N低速波，和車速量級(jí)相差不多，救護(hù)車隨便跑跑，就能造成人耳可察的頻率變化。而光的速度極高，它的波形就不能輕易“擠壓”到人眼可辨了。

但是，放到太陽(yáng)活動(dòng)這么劇烈的事件中，再加上專業(yè)設(shè)備，有些事就不那么難了。太陽(yáng)活動(dòng)造成的大氣起伏能夠被“羲和號(hào)”攜帶的光譜分析儀器偵測(cè)到。當(dāng)氫等離子體從太陽(yáng)表面升起時(shí)，它朝向地球撲來(lái)，多普勒效應(yīng)會(huì)使光譜升頻。如果“羲和號(hào)”瞄著這個(gè)位置看的話，就會(huì)看到Hα譜線右移，比如，跑到了656.30nm。用這個(gè)頻率差，就可以推算出這一坨物質(zhì)噴發(fā)的速率。反之亦然，可以通過(guò)譜線的左移量推知物質(zhì)的沉降速率。

“羲和號(hào)”的科學(xué)儀器由南京大學(xué)負(fù)責(zé)建設(shè)。南京大學(xué)說(shuō)，“羲和號(hào)”可以察覺0.0025nm的波長(zhǎng)變化。在Hα波段折算一下就是：如果氫等離子體在太陽(yáng)表面升降的速率大于1.14km/s，它造成的譜線移動(dòng)就可以被察覺。

當(dāng)然，太陽(yáng)是個(gè)球體（各位置朝向地球的速度分量有差異），在不停地自轉(zhuǎn)（太陽(yáng)球面左側(cè)在不停奔向地球，右側(cè)在不斷遠(yuǎn)離地球），并且不同緯度的自轉(zhuǎn)速度還不一樣。這些因素都會(huì)在最終的運(yùn)算過(guò)程中考慮進(jìn)去，以免得到荒謬的結(jié)果。

為了得到黑子或耀斑的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，“羲和號(hào)”可以盯著日面上一個(gè)極小的區(qū)域看。視野越小，對(duì)防震防抖的要求越高。為了讓科學(xué)儀器可以靜下心來(lái)工作，“羲和號(hào)”使用了磁浮技術(shù)，讓驅(qū)動(dòng)平臺(tái)和科學(xué)儀器在工作時(shí)暫時(shí)物理分離。這樣，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)里的機(jī)械設(shè)備工作時(shí)，就不會(huì)抖到正在專心看太陽(yáng)的科學(xué)儀器模塊了。這也是“羲和號(hào)”全名中“雙超”的由來(lái)：超高指向精度、超高穩(wěn)定度。

“羲和號(hào)”運(yùn)行在距地517km的太陽(yáng)同步軌道上。這個(gè)軌道穿越南北極，位于晨昏線附近的上空，始終能夠看到太陽(yáng)。為了確保它不會(huì)因地球公轉(zhuǎn)而被地球遮蔽，這個(gè)軌道以每年逆時(shí)針360°（北半球視角）的速度緩緩進(jìn)動(dòng)。

“羲和號(hào)”選在2021年升空，也是個(gè)很好的時(shí)機(jī)。拋開項(xiàng)目進(jìn)度的客觀事實(shí)不談，這個(gè)時(shí)間很配合太陽(yáng)活動(dòng)周期。假如它在2018年上天，工作3年，這期間正是兩個(gè)太陽(yáng)周期之間的低谷，太陽(yáng)波平如鏡，就不好看了?，F(xiàn)在它上去，正趕上太陽(yáng)活動(dòng)的爬坡期（預(yù)計(jì)2025年能到高峰），會(huì)收獲許多成果。

“羲和號(hào)”是中國(guó)空間探日計(jì)劃的先鋒官，它填補(bǔ)了太陽(yáng)爆發(fā)源區(qū)高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)的空白，提高了恒星物理研究能力，對(duì)空間科學(xué)探測(cè)及衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展具有重要意義。