新知| ASO-S卫星:未来720公里上空看太阳。
太阳是与人类关系最密切的恒星，也是唯一可以详细研究的恒星。对太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射(一磁场两风暴)的研究具有重要的科学和现实意义。
继“探月”、“探火”之后，中国的“探日”正在提上日程。目前，我国首颗综合性太阳探测卫星——先进天基太阳天文台(ASO-S)即将进入样机研制阶段。这意味着该卫星的工程样机已经接近完成，经过约1年的样机研制，ASO-S预计将于2022年发射，届时将详细记录第25个太阳活动周的“太阳风暴”，及时预测太阳爆发对地球可能造成的影响。
“太阳轨道器”发射升空，首次在太阳较高纬度拍摄太阳南北极照片。新华社
太阳是一个物理实验室。
逐日逐风，自古有之。
虽然日地平均距离为654.38+0.5亿公里，但太阳一旦“升起”，将给地球带来不可估量的后果。
2003年，太阳爆发强烈磁暴，导致GOES、ACE、SOHO、WIND等欧美一系列科学卫星不同程度受损，导致全球卫星通信受到干扰，GPS全球定位系统受到影响，定位精度出现偏差，导致地面和太空中一些需要即时通信和定位的运输系统不同程度瘫痪。
“原因是太阳发出大量带电高能粒子，对地球电磁环境造成严重破坏，特别是太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射。”河北大学物理科学与技术学院副教授肖勇介绍。
太阳黑子存在于磁场聚集的光球层表面。借助现代科学技术，科学家观测到太阳黑子的数量和位置每11年会发生周期性变化。
太阳耀斑是一种强烈的辐射爆炸，是太阳系中最强烈的局部爆炸。它发出的光的波长跨越了整个电磁波谱。
日冕物质抛射是太阳释放的另一种能量形式。一次巨大的日冕物质抛射可以在短时间内包含数十亿吨离开太阳的物质。
归根结底，无论是太阳黑子、太阳耀斑还是日冕物质抛射，其根源都是太阳磁场。
“从研究自然规律和自然科学的角度来说，太阳是一个非常好的自然物理实验室，可供研究的内容非常丰富。”有专家说，太阳上的物理现象可以在中学物理课本和物理前沿研究中找到。除了太阳内部的物理过程，还可以观测和研究太阳的表面、大气、磁场、结构、涨落、全波段辐射、等离子体和流体规律，在其他天体上详细观测这些物理现象是不可想象的。
自20世纪60年代以来，世界各国已经向太空发射了70多颗太阳探测卫星。2018年，备受瞩目的美国帕克太阳探测器发射升空，对太阳进行了前所未有的近距离观测。
目前《帕克》收获了很多惊喜。超级波、漂浮的磁岛、带电粒子的“阵雨”和“看不见的”日冕物质抛射。
那么，为什么要在太空探索太阳呢？
专家解释说，由于地球大气层的存在，在地面上观测太阳只能观测到可见光和有限的无线电发射，这些仅占太阳辐射宽光谱的一小部分。而更多的波段辐射，如大多数高能辐射如紫外线和红外线、X射线和γ射线，在到达地球之前被地球大气层吸收。
“卫星的优势在于可以完全脱离地球大气层的影响，从所有波段研究太阳，从而描绘出完整的太阳图像。”肖勇说。
早在1976，中国就尝试提出并实施了一颗太阳空间探测卫星。在过去的几十年里，中国还没有发射一颗专门的太阳探测卫星。因此，人们对中国首颗综合性太阳探测卫星ASO-S充满期待。
“建造这颗卫星的想法是在90年代形成的，然后不断修改和完善。直到2011中科院启动空间科学试点项目，ASO-S才走上正轨，经历了一套空间科学卫星项目的标准流程。”中国科学院紫金山天文台ASO-S卫星工程首席科学家甘在一份公开报告中说。
ASO-S卫星非常不同。
ASO-S卫星和其他国家的太阳探测卫星有什么区别？据专家介绍，ASO-S最大的特点是其科学目标。
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“一磁两暴”，ASO-S的科学目标也是“一磁两暴”。
为了实现这一科学目标，ASO-S的载荷配置非常有特色。
据介绍，ASO-S将搭载三台功能不同的太阳探测望远镜，一台叫做全天矢量磁成像仪，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；一台名为莱曼阿尔法的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，即多个波段同时观测，非常重要。”肖勇解释说，不同的波段反映不同的物理过程，同一事物可以通过同时在不同波段的观测反映物理的不同方面。
这就是ASO-S卫星的特点。
当然，除了组合特点，三种乐器也各有特点。“比如全向矢量磁成像仪，时间分辨率相对较高；硬X射线成像仪的探头比世界上同类仪器都多，我们有99个探测器。莱曼阿尔法太阳望远镜是观测内冕的，莱曼阿尔法本身就是一个新的波段窗口。”R&D人事说。
在ASO-S之前，中国的“探日”卫星还是空白，没有太多经验可循。“关键技术攻坚困难重重”。
"只有硬X射线成像仪需要克服至少三项关键技术."R&D人员说:“以光栅加工为例，硬X射线成像仪的99个探头相当于小眼睛。这些小眼的正面由光栅组成，X射线光子需要通过光栅中的缝隙，最窄的缝隙只有18微米(1微米=0.001毫米)，比头发还要细。就像做一本书一样，先加工一张有狭缝的薄‘纸’，再把一张薄纸糊成有均匀狭缝的‘厚书’。每个狭缝的对准精度比狭缝的宽度小得多。”
另外，硬X射线成像仪前端光栅和后端光栅相差65438±0.2米，光栅必须前后两端刻划准确，否则无法成像，同时还要考虑热胀冷缩、恶劣空间环境、发射过程等因素。这项技术之前在国内还是空白。
还有莱曼阿尔法望远镜，实际上由三个望远镜组成，最难研制的一个叫日冕。日冕仪不是看太阳的“盘”，而是看太阳“盘”外1.1到2.5个太阳半径的区域。这个区域的光线与“圆盘”相差10的-7到-8次方。“因为它的光线太弱，所以需要遮挡太阳的强光来测量这一区域的光线。难度可想而知。”研究人员说。
详细记录“太阳风暴”
据了解，ASO-S卫星工程的样机即将完成，也就是卫星已经从图纸做成产品。工程样机将进行一系列实验，其中最重要的是环境模拟实验，模拟其在天上工作，模拟遥感遥测等完整的工作流程。计划于2022年上半年发射。
“之所以选择2022年发射，与太阳活动周期有关。”据R&D人员介绍，从2021到2022年，处于第25个太阳周期的开始。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，太阳爆发会增加，达到一个峰值。这个峰值可能在2024年到2026年之间。
"太阳探测卫星预计将工作4年."研究人员表示，这样可以覆盖一个相对完整的太阳周期从开始到顶峰，从而获得尽可能多的观测样本。
ASO-S将在距离地球表面720公里的轨道上工作。为什么选择这个距离？
据介绍，硬X射线成像仪原则上要求轨道较低，电晕仪要求轨道较高。R&D人员做了轨道优化设计，论证720公里比较合适。这样的轨道设计也能满足对太阳几乎24小时的连续观测。
"太阳研究与人类生活密切相关."肖勇说，一旦太阳“爆发”，太阳耀斑和日冕物质抛射产生的磁云将带着大量带电的高能粒子直扑地球。对地球环境，尤其是与现代生活密切相关的电磁环境造成了严重破坏。
其中，最猛烈的现象是“太阳风暴”。一旦发生太阳风暴，巨大的耀斑、壮观的日珥和大量的日冕物质抛射都会如期而至。
ASO-S项目不仅研究“一磁场两风暴”的自然规律，还能及时预测太阳爆发对地球的影响。据测算，在发生日冕物质抛射等爆炸活动时，科学家可以像地球上的天气预报一样，至少提前40小时获得信息，及时做出预警和防护措施，避免人类生存环境遭到破坏。
关注河北新闻网，了解河北最新消息。