高难度科学实验(科学高难度问题)

 

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8月30日，我国首颗太阳探测科学技术试验卫星羲和号成果正式发布。这些探日成果，以太阳科学探测和新型卫星技术为主，创下5个国际首次。

实现了我国空间太阳探测成果零的突破，标志着我国正式步入自主‘探日’时代。高分专项工程总设计师兼副总指挥、国家航天局对地观测与数据中心主任赵坚如此形容。

五个国际首次

羲和号的学名，叫作太阳Hα（氢阿尔法）光谱探测与双超平台科学技术试验卫星，于2021年10月14日发射升空，运行于平均高度为517公里的太阳同步轨道，主要科学载荷为太阳Hα成像光谱仪。

近一年来，国家航天局组织航天科技集团、南京大学等工程任务团队，开展卫星平台超高指向精度、超高稳定度技术试验300余次，太阳光谱成像1000余次，圆满完成了羲和号在轨测试和试验工作。这些努力，取得了重要成果，其中5项为国际首次。

作为我国首位太阳专属摄影师，羲和号在太阳科学探测方面成功实现两个国际首次：国际首次空间太阳Hα波段光谱扫描成像，国际首次在轨获取太阳Hα谱线、SiΙ（硅一）谱线和FeΙ（铁一）谱线的精细结构。

根据这些谱线的精细结构，可反演出高精度的全日面色球和光球多普勒速度场，发生在太阳大气中的活动可被详细记录到，进而研究太阳活动的物理过程。赵坚说。

除了太阳科学探测，羲和号在新型卫星技术试验方面取得3个国际首次成果：实现国际首次主从协同非接触双超（超高指向精度、超高稳定度）卫星平台技术在轨性能验证及工程应用；实现国际首台太阳空间Hα成像光谱仪在轨应用；实现国际首台原子鉴频太阳测速导航仪在轨验证。

羲和号卫星系统总指挥陈建新解释，在太空中，卫星载荷一次微小的振动，都会使得成像效果失之毫厘、谬之千里。双超卫星平台打破传统卫星平台微振动难测、难控的技术瓶颈，采用磁浮控制技术，将平台与载荷的物理接触彻底隔绝，确保载荷成像不受平台扰动的影响，让其拍照更稳、更准，将我国卫星平台的姿态控制水平提升了1至2个数量级，达到国际先进水平。

未来，双超平台技术将在高分辨率遥感、太阳立体探测、系外行星发现等新一代航天任务中得到推广应用，推动我国空间技术的跨越式发展。

给太阳做深度CT扫描

在五个国际首次中，Hα波段光谱扫描成像特别值得关注。

对太阳物理研究而言，太阳Hα谱线十分重要。它是光子与氢原子相互作用后电子能级跃迁产生的谱线之一，是太阳爆发时响应最强的色球谱线，能够直接反映爆发的源区特征。对这条谱线开展探测，可以大大提高我们对太阳爆发物理机制的认识。

太阳大气从里向外，可分为光球层、色球层和日冕层。与以往太阳探测卫星主要通过紫外和X射线对太阳高层大气日冕层进行观测不同，羲和号卫星配备的太阳空间Hα成像光谱仪，专门观测太阳低层大气光球和色球，从而全面了解太阳活动的演化过程和物理机制。

‘羲和号’卫星在轨开展的相关试验，是国际上第一次在太空进行Hα谱线研究。赵坚说，此前，人类只能在地球上探测太阳Hα谱线，但由于受大气干扰，探测数据不连续、不稳定。

据羲和号卫星首席科学家丁明德介绍，羲和号可以在46秒内扫描全日面，获得约1600万个点的光谱信息，这是以往太阳观测从未实现的。通过一次扫描可获得376个波长位置的太阳图像，不同波长对应了光球和色球不同的大气层次，相当于给太阳低层大气做了一次深度CT扫描。

通过深度CT扫描，获得精细的色球和光球二维光谱数据，可以更加准确地获得太阳爆发时大气温度、速度等物理量的变化，进而建立太阳爆发从光球到日冕的能量积累、释放、传输的完整物理模型。这对研究太阳爆发的动力学过程及物理机制提供关键依据，对太阳低层大气和太阳爆发的观测具有重要意义。

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目前，羲和号每天都在按照既定任务计划开展科学观测，已经观测到了近百个太阳爆发活动，相关研究工作正在开展。

全球进入太阳研究新的高峰期

为什么要探日？

作为太阳系的中心天体，太阳对地球的影响无所不在。

太阳爆发产生大量带电高能粒子，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对地球电磁环境影响最为显著。赵坚解释，强耀斑和日冕物质抛射等太阳活动干扰通信和导航、威胁航天员的健康，甚至毁坏航天器，对太阳活动的观测和研究不仅具有重要的科学意义，更具有巨大的应用价值。此外，通过对太阳的探测，人类可以深入了解天体磁场的起源和演化、高能粒子的加速和传播等重要物理过程，对天体物理学研究具有重要意义。

人类对太阳的观测和研究已有400多年历史，但对太阳的科学认识仍然很不够。自20世纪60年代以来，随着航天技术的快速发展，全世界已发射了70多颗太阳观测卫星，聚焦太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射等的观测和研究。

太阳活动周期约11年，2021年至2022年是人类有记录以来第25个太阳活动周期的开始，全世界又进入太阳研究新的高峰期。探测和研究太阳活动，提出应对措施，可以降低或规避对地球的不利影响。赵坚说。

羲和号科学数据向全球开放共享

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羲和号的成功发射和在轨应用，让我们的科学家可以站高望远，也更加自主。

赵坚告诉记者，国际太阳探测发展变化很快，我国在太阳观测领域发表论文数量已居世界第二位，但是使用的数据均来自国外卫星数据。

‘羲和号’打破了我们在此领域的被动局面。赵坚说。

自主的同时，我们还要开放——羲和号的科学数据向全球开放共享。

目前，国家航天局牵头成立了卫星数据科学委员会，制定了数据政策，供国内外科学家研究、使用、共享卫星探测数据。力争产生更多的原创性科学成果，为人类科学事业作出中国贡献。赵坚说。

（本报记者 陈海波 袁于飞）（陈海波 袁于飞）

（光明日报）

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