全球矚目！我國首顆探日衛(wèi)星“羲和號”又有新發(fā)現(xiàn)

出品：科普中國

作者：李川（南京大學教授）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。

近日，南京大學與中國科學院云南天文臺、航天科技集團八院的科研人員通過分析“羲和號”的觀測數(shù)據(jù)，精確繪制出了國際首個太陽大氣自轉(zhuǎn)的三維圖像。

我國首顆太陽探測科學技術(shù)試驗衛(wèi)星“羲和號”成功發(fā)射。

（圖片來源：作者提供）

相關(guān)論文以“Height-dependent differential rotation of the solar atmosphere detected by CHASE”為題于2024年6月13日發(fā)表在國際著名期刊《Nature Astronomy》

“羲和號”

“羲和號”全稱是太陽Hα光譜探測與雙超平臺科學技術(shù)試驗衛(wèi)星，它有兩重屬性，一個是太陽科學觀測，一個是衛(wèi)星平臺試驗?？茖W上，它實現(xiàn)了國際首次太陽Hα波段光譜成像的空間觀測；技術(shù)上，它驗證了超高指向精度和超高穩(wěn)定度的新型衛(wèi)星平臺。

“羲和號”衛(wèi)星發(fā)射前照片

（圖片來源：作者提供）

“羲和號”的簡稱是在衛(wèi)星發(fā)射前通過全國范圍內(nèi)的征名活動獲得的。羲和是太陽女神，也代表了我國空間探日的開始。

“羲和號”的論證始于2015年，直到2019年才正式獲得國家航天局的立項，到2021年10月14日發(fā)射，僅僅2年的研制時間，非常具有挑戰(zhàn)性。

首先是衛(wèi)星平臺，它是基于磁浮控制技術(shù)，實現(xiàn)載荷艙和平臺艙的隔離，這樣平臺的震動就不會傳遞到載荷艙，相當于給望遠鏡裝上了一個穩(wěn)像機構(gòu)。但這種技術(shù)是國際首創(chuàng)，研制起來并不容易，而且兩艙脫離之后，需要用激光無線數(shù)傳和無線能源傳輸，也帶了風險和挑戰(zhàn)，不過以上均已獲得突破。

其次是科學載荷——Hα成像光譜儀，它是通過狹縫和光柵對太陽進行光譜掃描，并非簡單地拍照。而且由于衛(wèi)星平臺的尺寸限制，使得在有限空間內(nèi)完成如此高精度的設(shè)計和裝配非常困難。

Hα成像光譜儀及光路示意圖

（圖片來源：作者提供）

最后是數(shù)據(jù)定標，這是國際上首次全日面Hα光譜掃描成像，獲得的原始數(shù)據(jù)需要經(jīng)過一系列科學定標過程，比如譜線彎曲改正、平場和暗場處理、輻射強度和波長定標、坐標轉(zhuǎn)換等等，每一項都需要新的技術(shù)方法。通過以上這些技術(shù)和方法的突破，“羲和號”獲得了國際領(lǐng)先的全日面光譜成像。

太陽大氣自轉(zhuǎn)三維圖像

太陽的結(jié)構(gòu)從里到外可分為核心區(qū)、輻射區(qū)、對流區(qū)和大氣層。

經(jīng)過幾十年的探測，科學家基本確立了有關(guān)太陽自轉(zhuǎn)的兩個重要規(guī)律：一是從輻射區(qū)到對流區(qū)的過渡區(qū)域（約0.7個太陽半徑處），自轉(zhuǎn)速度存在明顯變化，這種剪切運動導致磁場的產(chǎn)生，即為太陽發(fā)電機；二是自轉(zhuǎn)速度從赤道向兩極區(qū)域逐漸遞減，這種變化導致太陽磁場從極向場到環(huán)向場的轉(zhuǎn)換。

太陽活動11年的周期性變化本質(zhì)上是太陽發(fā)電機和較差自轉(zhuǎn)相互作用的結(jié)果。然而，對于太陽表面的大氣層，它的自轉(zhuǎn)速度的變化規(guī)律，特別是隨高度是如何變化的，至今沒有確切定論。

“羲和號”全日面光譜掃描成像

（圖片來源：作者提供）

“羲和號”實現(xiàn)了國際首次太陽Hα波段光譜成像的空間觀測，它可以在46秒內(nèi)掃描全日面，獲得日面上任何一個點的光譜信息，它的光譜分辨率達到0.0024 nm/pixel。它可以同時獲取多條譜線的精細結(jié)構(gòu)，包括Si I（6560.58 ?）、Fe I（6569.21 ?）和Hα（6562.81 ?）譜線。

這些譜線形成在太陽大氣從較低的光球?qū)拥撞恐凛^高的色球高層的不同層次。利用這些譜線的高精度觀測，再運用譜線形成的反演方法，可以精確推導太陽大氣不同層次的多普勒速度場。有了這些速度場，我們就可以構(gòu)建太陽大氣較差自轉(zhuǎn)的三維圖像。

分析圖像發(fā)現(xiàn)，太陽大氣的自轉(zhuǎn)速度隨著高度有明顯增加的趨勢，這與直觀認識相悖，因為如果高層大氣的轉(zhuǎn)動是由低層大氣的粘滯效應(yīng)帶動的，那么自轉(zhuǎn)速度應(yīng)該隨高度而逐漸降低。

太陽大氣由光球?qū)拥撞康缴驅(qū)硬煌叨忍幍亩嗥绽账俣葓D，太陽自轉(zhuǎn)速度自赤道向極區(qū)逐漸降低的規(guī)律在太陽大氣各個層次都存在。

（圖片來源：作者提供）

太陽大氣自轉(zhuǎn)速度隨高度和緯度的分布，太陽大氣的自轉(zhuǎn)速度隨著高度有明顯增加的趨勢。

（圖片來源：作者提供）

進一步的研究發(fā)現(xiàn)，這種反常的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象是由無處不在的小尺度磁場結(jié)構(gòu)及其與太陽大氣的“磁凍結(jié)”效應(yīng)造成的。

與大尺度磁場不同，這些小尺度磁場形成于近表面的速度剪切層（0.95–1個太陽半徑處），該層次相比于太陽大氣具有較快的自轉(zhuǎn)速度。

由于光球?qū)与婋x度較低，密度較高，“磁凍結(jié)”效應(yīng)不明顯，因而這些小尺度磁場對太陽大氣的拖曳能力較差；而在色球?qū)蛹案邔拥奶柎髿猓婋x度較高，“磁凍結(jié)”效應(yīng)顯著增強，磁場得以更高效地拖拽太陽大氣，使這些層次的自轉(zhuǎn)速度明顯快于光球?qū)印?/p>

太陽色球多普勒速度場與視向磁場分布的對應(yīng)關(guān)系，二者具有很好的相關(guān)性，驗證了小尺度磁場與色球大氣存在強凍結(jié)效應(yīng)。

（圖片來源：作者提供）

以往對太陽大氣自轉(zhuǎn)的研究，往往是基于成像觀測，比如跟蹤日面上不同緯度的黑子來得到光球的自轉(zhuǎn)速度，但是黑子在演化，因此跟蹤的精度不會太高，對于更高層的太陽大氣比如色球和日冕，更加難以確定。

而現(xiàn)在可以通過譜線的多普勒頻移，計算不同高度太陽大氣的速度場，由此，刻畫出太陽大氣自轉(zhuǎn)的三維圖像。

該項科學發(fā)現(xiàn)對理解太陽發(fā)電機、太陽大氣加熱、太陽自轉(zhuǎn)的長期變化帶來重要的觀測證據(jù)。

小尺度磁場很可能產(chǎn)生于對流區(qū)的較淺層次，不同于大尺度磁場（如太陽黑子）產(chǎn)生于對流區(qū)的底部，因此一個完整的發(fā)電機模型必須包含足夠大的深度范圍，才能全面解釋不同尺度的磁場分布。

不同高度存在不同程度的磁凍結(jié)效應(yīng)，意味著離子與中性粒子的相互作用也不同，太陽大氣的加熱模型需要考慮這個因素。

太陽風示意圖

（圖片來源：veer圖庫）

太陽高層大氣的較快的自轉(zhuǎn)速度，意味著太陽風損失的角動量不可小視，這對太陽自轉(zhuǎn)起到了“制動”作用，因此隨著年齡增大太陽自轉(zhuǎn)會逐漸減慢。

太陽自其形成之日起，就處于不停地轉(zhuǎn)動狀態(tài)，一旦停止轉(zhuǎn)動，其壽命也將終結(jié)。太陽自轉(zhuǎn)速度的減少是由于角動量損失造成的，而角動量損失的多少取決于三個物理量：太陽風的速度、太陽阿爾芬半徑的大小和太陽大氣自轉(zhuǎn)速度。此次發(fā)現(xiàn)，太陽大氣自轉(zhuǎn)速度在高層大氣上更快，表明角動量損失比預期的要大，因此，太陽自轉(zhuǎn)速度減慢的可能更快。

未來應(yīng)用

太陽爆發(fā)是空間天氣的源頭?！棒撕吞枴背掷m(xù)開展太陽活動的監(jiān)測，為空間天氣預警預報提供了完全自主的數(shù)據(jù)。目前，“羲和號”的數(shù)據(jù)已經(jīng)接入國家空間天氣監(jiān)測預警中心，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)級應(yīng)用。比如，2024年5月份，太陽持續(xù)爆發(fā)產(chǎn)生了一系列空間天氣事件，尤其是引發(fā)了近20年來最強的一次地磁暴，造成全球范圍內(nèi)的極光現(xiàn)象，也造成一些災(zāi)害性空間天氣效應(yīng)?！棒撕吞枴睂@一系列太陽爆發(fā)都有很好的監(jiān)測。

目前，太陽活動已經(jīng)開始進入極大期，“羲和號”在軌運行狀態(tài)良好，將持續(xù)產(chǎn)出一系列科學成果。尤其在太陽爆發(fā)的物理機制、太陽大氣物質(zhì)和能量的輸運過程、類太陽恒星爆發(fā)的研究等方面，取得原創(chuàng)性成果。

面向未來，我們進一步提出了“羲和二號”——日地L5太陽探測工程，目前正在積極推進中。它將是人類首次發(fā)射一顆探測器至日地L5點，探索太陽系未知疆域，開啟我國太陽立體探測的時代。除了“羲和二號”之外，我國太陽探測計劃還包括“夸父二號”——太陽極軌天文臺、太陽抵近探測任務(wù)等。這些計劃的布局和實施，將使人類對太陽這顆地球的母星探索更廣、認識更深。