太陽是與人類關系最密切的恒星，也是唯壹可以詳細研究的恒星。對太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質拋射(壹磁場兩風暴)的研究具有重要的科學和現實意義。
繼“探月”、“探火”之後，中國的“探日”正在提上日程。目前，我國首顆綜合性太陽探測衛星——先進天基太陽天文臺(ASO-S)即將進入樣機研制階段。這意味著該衛星的工程樣機已經接近完成，經過約1年的樣機研制，ASO-S預計將於2022年發射，屆時將詳細記錄第25個太陽活動周的“太陽風暴”，及時預測太陽爆發對地球可能造成的影響。
“太陽軌道器”發射升空，首次在太陽較高緯度拍攝太陽南北極照片。新華社
太陽是壹個物理實驗室。
逐日逐風，自古有之。
雖然日地平均距離為654.38+0.5億公裏，但太陽壹旦“升起”，將給地球帶來不可估量的後果。
2003年，太陽爆發強烈磁暴，導致GOES、ACE、SOHO、WIND等歐美壹系列科學衛星不同程度受損，導致全球衛星通信受到幹擾，GPS全球定位系統受到影響，定位精度出現偏差，導致地面和太空中壹些需要即時通信和定位的運輸系統不同程度癱瘓。
“原因是太陽發出大量帶電高能粒子，對地球電磁環境造成嚴重破壞，特別是太陽黑子、耀斑和日冕物質拋射。”河北大學物理科學與技術學院副教授肖勇介紹。
太陽黑子存在於磁場聚集的光球層表面。借助現代科學技術，科學家觀測到太陽黑子的數量和位置每11年會發生周期性變化。
太陽耀斑是壹種強烈的輻射爆炸，是太陽系中最強烈的局部爆炸。它發出的光的波長跨越了整個電磁波譜。
日冕物質拋射是太陽釋放的另壹種能量形式。壹次巨大的日冕物質拋射可以在短時間內包含數十億噸離開太陽的物質。
歸根結底，無論是太陽黑子、太陽耀斑還是日冕物質拋射，其根源都是太陽磁場。
“從研究自然規律和自然科學的角度來說，太陽是壹個非常好的自然物理實驗室，可供研究的內容非常豐富。”有專家說，太陽上的物理現象可以在中學物理課本和物理前沿研究中找到。除了太陽內部的物理過程，還可以觀測和研究太陽的表面、大氣、磁場、結構、漲落、全波段輻射、等離子體和流體規律，在其他天體上詳細觀測這些物理現象是不可想象的。
自20世紀60年代以來，世界各國已經向太空發射了70多顆太陽探測衛星。2018年，備受矚目的美國帕克太陽探測器發射升空，對太陽進行了前所未有的近距離觀測。
目前《帕克》收獲了很多驚喜。超級波、漂浮的磁島、帶電粒子的“陣雨”和“看不見的”日冕物質拋射。
那麽，為什麽要在太空探索太陽呢？
專家解釋說，由於地球大氣層的存在，在地面上觀測太陽只能觀測到可見光和有限的無線電發射，這些僅占太陽輻射寬光譜的壹小部分。而更多的波段輻射，如大多數高能輻射如紫外線和紅外線、X射線和γ射線，在到達地球之前被地球大氣層吸收。
“衛星的優勢在於可以完全脫離地球大氣層的影響，從所有波段研究太陽，從而描繪出完整的太陽圖像。”肖勇說。
早在1976，中國就嘗試提出並實施了壹顆太陽空間探測衛星。在過去的幾十年裏，中國還沒有發射壹顆專門的太陽探測衛星。因此，人們對中國首顆綜合性太陽探測衛星ASO-S充滿期待。
“建造這顆衛星的想法是在90年代形成的，然後不斷修改和完善。直到2011中科院啟動空間科學試點項目，ASO-S才走上正軌，經歷了壹套空間科學衛星項目的標準流程。”中國科學院紫金山天文臺ASO-S衛星工程首席科學家甘在壹份公開報告中說。
ASO-S衛星非常不同。
ASO-S衛星和其他國家的太陽探測衛星有什麽區別？據專家介紹，ASO-S最大的特點是其科學目標。
太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質拋射之間的關系是太陽物理學領域最重要的課題之壹。太陽磁場、耀斑和日冕物質拋射簡稱“壹磁兩暴”，ASO-S的科學目標也是“壹磁兩暴”。
為了實現這壹科學目標，ASO-S的載荷配置非常有特色。
據介紹，ASO-S將搭載三臺功能不同的太陽探測望遠鏡，壹臺叫做全天矢量磁成像儀，專門觀測太陽磁場；壹個叫硬X射線成像儀，專門觀測太陽耀斑；壹臺名為萊曼阿爾法的太陽望遠鏡專門觀測日冕物質拋射。
“在天文研究中，組合觀測，即多個波段同時觀測，非常重要。”肖勇解釋說，不同的波段反映不同的物理過程，同壹事物可以通過同時在不同波段的觀測反映物理的不同方面。
這就是ASO-S衛星的特點。
當然，除了組合特點，三種樂器也各有特點。“比如全向矢量磁成像儀，時間分辨率相對較高；硬X射線成像儀的探頭比世界上同類儀器都多，我們有99個探測器。萊曼阿爾法太陽望遠鏡是觀測內冕的，萊曼阿爾法本身就是壹個新的波段窗口。”R&D人事說。
在ASO-S之前，中國的“探日”衛星還是空白，沒有太多經驗可循。“關鍵技術攻堅困難重重”。
"只有硬X射線成像儀需要克服至少三項關鍵技術."R&D人員說:“以光柵加工為例，硬X射線成像儀的99個探頭相當於小眼睛。這些小眼的正面由光柵組成，X射線光子需要通過光柵中的縫隙，最窄的縫隙只有18微米(1微米=0.001毫米)，比頭發還要細。就像做壹本書壹樣，先加工壹張有狹縫的薄‘紙’，再把壹張薄紙糊成有均勻狹縫的‘厚書’。每個狹縫的對準精度比狹縫的寬度小得多。”
另外，硬X射線成像儀前端光柵和後端光柵相差65438±0.2米，光柵必須前後兩端刻劃準確，否則無法成像，同時還要考慮熱脹冷縮、惡劣空間環境、發射過程等因素。這項技術之前在國內還是空白。
還有萊曼阿爾法望遠鏡，實際上由三個望遠鏡組成，最難研制的壹個叫日冕。日冕儀不是看太陽的“盤”，而是看太陽“盤”外1.1到2.5個太陽半徑的區域。這個區域的光線與“圓盤”相差10的-7到-8次方。“因為它的光線太弱，所以需要遮擋太陽的強光來測量這壹區域的光線。難度可想而知。”研究人員說。
詳細記錄“太陽風暴”
據了解，ASO-S衛星工程的樣機即將完成，也就是衛星已經從圖紙做成產品。工程樣機將進行壹系列實驗，其中最重要的是環境模擬實驗，模擬其在天上工作，模擬遙感遙測等完整的工作流程。計劃於2022年上半年發射。
“之所以選擇2022年發射，與太陽活動周期有關。”據R&D人員介紹，從2021到2022年，處於第25個太陽周期的開始。隨著太陽周期的開始，太陽黑子越來越多，太陽磁場會越來越強，太陽爆發會增加，達到壹個峰值。這個峰值可能在2024年到2026年之間。
"太陽探測衛星預計將工作4年."研究人員表示，這樣可以覆蓋壹個相對完整的太陽周期從開始到頂峰，從而獲得盡可能多的觀測樣本。
ASO-S將在距離地球表面720公裏的軌道上工作。為什麽選擇這個距離？
據介紹，硬X射線成像儀原則上要求軌道較低，電暈儀要求軌道較高。R&D人員做了軌道優化設計，論證720公裏比較合適。這樣的軌道設計也能滿足對太陽幾乎24小時的連續觀測。
"太陽研究與人類生活密切相關."肖勇說，壹旦太陽“爆發”，太陽耀斑和日冕物質拋射產生的磁雲將帶著大量帶電的高能粒子直撲地球。對地球環境，尤其是與現代生活密切相關的電磁環境造成了嚴重破壞。
其中，最猛烈的現象是“太陽風暴”。壹旦發生太陽風暴，巨大的耀斑、壯觀的日珥和大量的日冕物質拋射都會如期而至。
ASO-S項目不僅研究“壹磁場兩風暴”的自然規律，還能及時預測太陽爆發對地球的影響。據測算，在發生日冕物質拋射等爆炸活動時，科學家可以像地球上的天氣預報壹樣，至少提前40小時獲得信息，及時做出預警和防護措施，避免人類生存環境遭到破壞。
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