中国首个太阳卫星“羲和”升空

本文来自微信公众号：天文茶餐厅（ID：astrorant），作者：水兄，审校：陈鹏飞（南京大学天文与空间科学学院）、陈昌亚（上海卫星工程研究所）、李懿德，头图来自：IC photo，珠海航展上的太阳卫星模型

10月14日18时51分，我国第一颗太阳卫星“羲和”由长征二号丁运载火箭送入预定轨道，揭开了我国“卫星探日”的序幕。

发射实况（来源：中国航天科技集团）

太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星动画示意（来源：中国航天科技集团）

“羲和”是我国上古神话中的太阳神，用她来命名中国首颗太阳探测卫星倒也十分贴切。不过这颗卫星真正的中文名字很长很专业，它叫“太阳Hα光谱探测与‘双超’平台科学技术试验卫星”，业内把它简称为“太阳双超卫星”。实际上，英文名称倒不复杂，为Chinese Hα Solar Explorer（CHASE），直译的话就是“中国Hα太阳探测卫星”。

是不是有点看不懂？没关系，听我慢慢地给您解释。

从中文全称上可以看出，这是一颗兼顾科学观测和技术试验的太阳卫星。没错，就像当年“嫦娥”探月工程刚刚起步时候一样，嫦娥一号卫星不仅有观测能力，但更重要的是在“探路”。太阳双超卫星于2019年6月获得国防科工局的立项批复，由南京大学、上海航天技术研究院和中科院长春光机所等单位联合进行研发。

它的质量仅为550千克，只能算个小卫星，从这点上也能看出，作为我国首个太阳观测卫星，技术验证是它核心任务之一。说句题外话，这次发射为“一箭十一星”，就是因为CHASE它太轻了，火箭的起飞质量还有富裕的，既然发射成本那么高，何不找几个伙伴一起“拼车”呢？

为什么是Hα？

下面说些硬核的，来解释一个比较专业的名词：Hα。通常，我们就直接按照字母发音读作Hα，或者读作“氢阿尔法”。在天文学和物理学上，它是指氢原子的一条具体的发射谱线，波长为656.281纳米，位于可见光的红光范围内。

我们可能习惯了教科书上电子像行星一样沿着一条轨道绕着原子核运动的模型，然而它却是错的。根据原子的玻尔模型，电子并非在一条特定轨道上运动，而是在能量呈量子化分布的“轨道”上运动。就拿氢原子来说，原子核外存在着无数能级，每个能级都能看作一条轨道，并且能级之间不连续、不均匀。虽然氢原子只有一个电子，但它可以出现在任意一个能级，即任意一条“轨道”上，并且电子可以在能级之间跃迁——注意，跃迁的意思是电子瞬间从一个能级“跳跃”至另一个能级。

电子从能级n=3跃迁至n=2，释放出特定能量的光，这就是Hα发射谱线。（来源：Wikipedia）

如果一下子没明白，那我们来打个比方吧。

你可以把氢原子核外电子轨道想象成一座高楼每一个楼层，地面就是原子核，每个楼层就是一个能级，从下往上分别用n=1、2、3……来标记，电子只能存在于这几个楼层中，而且他们在楼层间跳来跳去的，不会坐电梯或走楼梯，不会出现在一楼半、3¾层这样的楼层中。当电子从较高楼层跳到较低楼层，就会发光，在光谱上显示出一条明亮的线，就是所谓的发射谱线。相反如果，从较低楼层跳到较高楼层，就会吸收特定能量的光，在连续的光谱上就会出现暗线，这就叫吸收谱线。

我们把从三楼及以上的高度跳跃至二楼的电子所发出的谱线统称为“巴耳末系”（以提出者物理学家约翰·巴耳末命名），其中从三楼跳到二楼的辐射称为Hα，四楼跳到二楼的称为Hβ，五楼跳到二楼的称为Hγ，依此类推。

氢原子在可见光范围内的发射谱线（来源：Wikipedia）

Hα的红光是可见光谱范围内最亮的氢谱线。它对天文学家来说十分重要，因为它通常发生在氢被电离的区域中，太阳、恒星、星云、类星体等许多天体中，都能明显地看到它。天文学家通过观察这一波段的光，就能轻松地追踪星云气体中被电离的氢。你看到的“哈勃美图”中红色部分基本上就是电离氢了。

同样，通过Hα波段可以观察太阳光球层和色球层等大气中的特征，观察日珥等大气活动，分析太阳爆发时大气温度、速度等物理量的变化等。就好比我们在医院使用X光线才能照出人体骨骼。（在太阳Hα通常以吸收线出现，当出现耀斑时，可能在耀斑区域呈现发射线。）

Hα波段下的全日面像（摄影：Alan Friedman）

费那么大的劲，主要就是为了解释为什么这颗卫星工作在656.281纳米附近。作为卫星的核心科学载荷“Hα成像光谱仪”（Hα Imaging Spectrograph, HIS），可以实现两种太阳观测模式：白光连续谱成像和光谱扫描成像。白光连续谱成像比较好理解，就是我们平时所看到的太阳影像，把所有颜色的光汇合一起就是白光像。

光谱扫描成像指的是在中心波长为656.28纳米和中心波长656.92纳米（FeI谱线）临近波段的300余个波长点实现全日面或局部日面成像，得到日面上任意一点的光谱信息。太阳双超卫星上的这台成像光谱仪具有非常先进的技术指标，光谱分辨率达到0.014纳米，空间分辨率达到1角秒，全日面扫描时间仅需49秒。

什么是“双超”？

细心的朋友一定发现了，在很长很专业的中文名字中，Hα与“双超”是并列关系。“双超”指的是超高指向精度+超高稳定度平台。通过采用平台舱、载荷舱磁浮可分离式设计理念，实现载荷舱的超高精度指向与稳定控制。

“羲和”卫星载荷舱

双超卫星载荷设计（来源：南京大学天文与空间科学学院）

卫星一般由平台和载荷组成，卫星平台负责整个卫星的系统服务与保障，包括结构机构、控制、推进、测控数传、热控等。载荷就是有具体科学任务的探测器，如相机、粒子探测器、磁场计等。传统卫星将载荷与平台直接固定连接，科学载荷的指向性与稳定度完全依靠于平台控制系统来实现。但是平台好“动”，载荷好“静”——载荷需要始终精确指向目标，但是卫星在轨道运动时，平台的微振动不可避免，因而载荷的指向精度与稳定度总会受到平台振动的制约。

7月15日在南京测试的Hα线心全日面光谱成像（来源：南京大学天文与空间科学学院）

现在呢，卫星研制团队发明了一种新的办法，在卫星平台中区分两个舱体：平台舱和载荷舱。其中，平台舱包括了结构分系统、综合电子分系统、测控分系统、数传分系统、电源分系统、姿轨控分系统、电浮控制分系统和舱间连接解锁分系统；载荷舱中包含了载荷舱结构、载荷舱综合电子和载荷。

也就是说把电脑机箱与摄像头分离开，在两舱之间采用电浮控制（由电生磁），从而实现“动静隔离、主从协同”的效果。采用这项“机身防抖”技术，载荷的指向性和稳定度较现有水平提升1~2个数量级，于是，卫星在太空拍照时将会更准、更稳，从而获得更高质量的图像。

探日的历史与意义

如果从1962年美国轨道太阳天文台（Orbiting Solar Observatory）算起，人类至今已经发射了70余个专门用于观测太阳的卫星、空间望远镜或空间天文台，它们都取得了巨大的成功，获得了丰硕的科学成果。

其中具有代表性的“全明星级”探测器如：

1990年

发射的首次实现太阳极轨探测的“尤利西斯”探测器（Ulysses）

1995年

发射的首次在日地拉格朗日L1点开展定点观测的“常青树”太阳和日球层天文台（SOHO）

2006年

发射的首次实现双探测器绕日立体探测的“日地关系天文台（STEREO）

2010年

发射的史上日回传数据量最大的探测器“太阳动力学天文台”（SDO）

2018年

发射首次近抵太阳仅9个太阳半径的“帕克”探测器（PSP）等

美国帕克探测器（来源：NASA）

地球大气吸收了大部分电磁波，要想了解太阳更多的信息，必然要走出大气层。况且，引发空间环境变化的根本原因就是太阳活动，也只有飞向太空才能了解真正的太阳。空间太阳探测已成为太阳物理学最重要的观测手段与发展方向。这样的发展浪潮中怎能少了中国的身影？“羲和”的成功发射是个重要的标志。

未来几年，“羲和”将与我国目前最大口径1米新真空太阳望远镜（NVST）、在建的全世界最大轴对称太阳望远镜2.5米大视场高分辨率太阳望远镜（WeHoT），以及预计于2022年发射的先进天基太阳天文台（ASO-S）等一同构成天地协同、优势互补的太阳联测体系，这对于提升我国在太阳物理领域的国际影响力具有深远意义。

参考文献

[1] 又要发射卫星了? 这所顶级985高校研制的太阳双超卫星完成测试验证

（https://mp.weixin.qq.com/s/Iw700Cu_ZfeRzf4syROUPQ）

[2] 太阳双超卫星完成观测试验验证，预计10月发射！

（https://mp.weixin.qq.com/s/MS8Tw9kAJHZrs4U2fX_0ng）

[3]中国要探测太阳了！网友：终于可以和太阳肩并肩了

（https://mp.weixin.qq.com/s/5rWyqy8klr66rlHTWsM0yw）

本文来自微信公众号：天文茶餐厅（ID：astrorant），作者：水兄，特别感谢陈鹏飞、陈昌亚、李懿德提供指导与帮助