新知｜ASO-S卫星：未来在720公里之上遥望太阳
在距离地球1.5亿公里的太空中，有一颗时时刻刻都在发光发热的巨大恒星，它放射着的耀眼光芒，穿透大气，为地球带来了光明与热量，它就是太阳。
太阳是与人类关系最密切的恒星，也是唯一一颗可以详细研究的恒星，研究太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射（一磁两暴）具有重要的科学和实际意义。
继“探月”“探火”之后，我国“探日”正在提上日程。目前，我国第一颗综合性太阳探测卫星——先进天基太阳天文台（ASO-S），即将进入正样研制阶段。这意味着，卫星的工程样机研制已经接近完成，再经过1年左右的正样研制，ASO-S可望于2022年发射升空，届时将详细记录第25个太阳活动周的“太阳风暴”，并及时预报太阳爆发对地球的可能影响。
“太阳轨道飞行器”发射升空，首次在太阳的较高纬度给太阳南北两极拍照。新华社发
太阳是一个物理实验室
逐日追风，人类自古有之。
尽管太阳与地球平均距离达1.5亿公里，但一旦太阳“发威”，就会给地球带来不可估量的后果。
2003年，太阳爆发了一次强磁暴，使欧美的GOES、ACE、SOHO和WIND等一系列科学卫星遭受了不同程度损害，导致全球卫星通讯受到干扰，GPS全球定位系统受到影响，定位精度出现偏差，致使地面和空间一些需要即时通讯和定位的交通系统遭到不同程度的瘫痪。
“究其原因，就是太阳发射出大量带电高能粒子，对地球电磁环境造成严重破坏，其中尤以太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射最为显著。”河北大学物理科学与技术学院副教授肖勇介绍。
太阳黑子存在于太阳光球表面，是磁场的聚集之处，借助现代 科技 ，科学家们观测到太阳黑子的数量和位置每隔11年就会出现周期性的变化。
太阳耀斑则是一种强烈的辐射爆炸，是太阳系中最激烈的局地爆炸事件，它所辐射出的光的波长横跨整个电磁波谱。
日冕物质抛射则是太阳释放能量的另一种形式，一个巨大的日冕物质抛射可包含数十亿吨的物质短时间内离开太阳。
而归根结底，无论是黑子、太阳耀斑还是日冕物质抛射，它们的根源都是太阳磁场。
“从研究自然规律、自然科学的角度来说，太阳是一个非常好的天然的物理实验室，可供研究的内容非常丰富。”有专家说，太阳上发生的物理现象，在中学到大学的物理教科书和物理学前沿研究中都能找到相应的内容。除了太阳内部物理过程，太阳的表面、大气、磁场、结构、波动、全波段辐射、等离子体、流体的规律……都可以观测研究，而这些物理现象在其他天体上进行详细观测是不可想象的。
自上世纪60年代以来，世界各国已经先后发射了70多颗太阳探测卫星进入太空。2018年，备受瞩目的美国帕克太阳探测器发射升空，它以前所未有的近距离对太阳进行观测。
目前，“帕克”已经收获了很多惊喜。超级巨浪、浮动磁岛、带电粒子的“骤雨”、“隐形”日冕物质抛射。
那么，为什么要在空间进行太阳探测？
专家解释，由于地球大气层的存在，在地面上对太阳进行观测，只能观测到可见光和有限的射电辐射，它们在宽广的太阳辐射波谱中只占很小的一部分。而更多波段辐射，比如大部分紫外和红外线、X射线和伽马射线等高能辐射，在到达地面前就被地球大气吸收掉了。
“卫星的优势在于能够完全脱离地球大气的影响，从各个波段研究太阳，从而描绘出一幅完整的太阳图像。”肖勇说。
早在1976年，我国就尝试提出和实施太阳空间探测卫星，数十年过去，迄今我国仍没有发射过一颗太阳探测专用卫星。因此，人们对中国第一颗综合性太阳探测卫星ASO-S充满期待。
“打造这颗卫星的想法在上世纪九十年代就已形成，之后不断修正完善，直到2011年中科院启动空间科学先导专项，ASO-S才得以走上正轨，经历了空间科学卫星项目的一套标准程序。”ASO-S卫星工程首席科学家、中科院紫金山天文台甘为群在公开报道中表示。
ASO-S卫星大有不同
ASO-S卫星与其他国家的太阳探测卫星相比较，有何不同？专家介绍，ASO-S最大的特点，就是其科学目标。
太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射之间的关系是太阳物理学领域最重要的课题之一。太阳磁场、耀斑和日冕物质抛射简称为“一磁两暴”，而ASO-S的科学目标也正是“一磁两暴”。
为了实现这一科学目标，ASO-S的载荷配置很有特色。
据介绍，ASO-S将搭载3台不同功能的太阳探测望远镜，一个叫全日面矢量磁像仪，专门观测太阳磁场；一个叫硬X射线成像仪，专门观测太阳耀斑；一个叫莱曼阿尔法太阳望远镜，专门观测日冕物质抛射。
“在天文研究中，组合观测即在多波段同时进行观测非常重要。”肖勇解释，不同的波段反映不同的物理过程，同一个东西在同一时间通过不同的波段观测，能够反映物理的不同方面。
这即是ASO-S卫星的特色所在。
当然，除了组合特色外，三台仪器也有自己的特色。“比如全日面矢量磁像仪，其时间分辨率相对较高；硬X射线成像仪比国际同类仪器探头数目要多，我们有99个探测器；莱曼阿尔法太阳望远镜则是进行内日冕观测，同时莱曼阿尔法本身又是一个新的波段窗口。”研发人员表示。
在ASO-S之前，我国的“探日”卫星属于空白，没有多少经验可循，关键技术的攻坚克难可谓“难比登天”。
“仅硬X射线成像仪就至少需要攻克三个关键技术。”研发人员说，“以光栅的加工为例，硬X射线成像仪的99个探头相当于一个个的小眼睛，这些小眼睛前面是由光栅构成的，X射线光子需要穿过光栅中的缝隙，而最窄的缝隙只有18微米（1微米=0.001毫米)，比头发丝还要细。就像做一本书一样，先加工一张张带有狭缝的薄‘纸’，再把一张张的薄纸粘贴成一本有着均匀缝隙的‘厚书’，每条缝隙的对齐精确要远小于狭缝的宽度。”
此外，硬X射线成像仪的前端光栅和后端光栅相差1.2米，光栅在前后端要对得分毫不差才行，否则无法成像，同时还要考虑热胀冷缩、空间环境恶劣、经历发射过程等因素。这一技术之前在我国是空白。
还有莱曼阿尔法望远镜，它实际上由三台望远镜组成，其中最难研发的一台叫作日冕仪。日冕仪不是看太阳的“圆盘”，而是看太阳“圆盘”外面从1.1个太阳半径到2.5个太阳半径的区域，这一区域的光跟“圆盘”比相差10的-7次方到10的-8次方。“由于它的光太弱了，必须要把日面的强光挡住，才能测到这一区域的光，难度可想而知。”研究人员表示。
详细记录“太阳风暴”
据了解，目前ASO-S卫星工程样机研制即将完成，即卫星已经从图纸做成了产品。工程样机将进行一系列的实验，其中最重要的就是环境模拟实验，模拟它在天上工作，模拟遥感遥测等全套工作流程。计划2022年上半年择机发射。
“之所以选择在2022年发射，跟太阳活动周期有关。”研发人员介绍，2021年到2022年正处于第25个太阳活动周期的开始阶段，随着太阳周期的开始，太阳黑子越来越多，太阳磁场会越来越强，太阳的爆发就会增加，达到一个峰值。这个峰值可能在2024年到2026年之间。
“太阳探测卫星预计工作时长为4年。”研发人员表示，这样就可以覆盖一个从开始到峰值的较为完整的太阳周期，从而获得尽可能多的观测样本。
ASO-S上天后，将在距离地表720公里的轨道上工作。为何选择这个距离？
据介绍，硬X射线成像仪原则上要求轨道低一点，日冕仪又要求轨道高一点，研发人员做过轨道优化设计，论证出720公里比较合适。这样的轨道设计还能够满足差不多一天24小时连续观测太阳。
“太阳研究与人类生活密切相关。”肖勇说，一旦太阳“发威”，太阳耀斑和日冕物质抛射产生的磁云会裹挟着大量带电高能粒子，直奔地球而来。对地球环境，尤其是与现代生活息息相关的电磁环境造成严重破坏。
其中，最狂暴的现象是“太阳风暴”。发生太阳风暴时，巨大的耀斑、壮观的日珥爆发、大量的日冕物质抛射都将如期而至。
ASO-S项目在研究“一磁两暴”自然规律的同时，也会及时预报太阳爆发对地球的影响。据计算，一旦发生日冕物质抛射等爆发活动，科学家可以至少提前40个小时得到信息，就像地球上的天气预报一样，及时预警，做出防护举措，以避免人类生存环境受到破坏。
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