羲和是我國上古神話中的”太陽之母”，她有十個太陽兒子，每日只帶一個出來“工作”：羲和馭著龍車，從湯谷出發(fā)，途徑16個站，到達(dá)蒙谷，日復(fù)一日，形成了大地的早晚晦明，年復(fù)一年，人間從此有了溫暖。
這個美麗的神話形象，被用來命名我國“首顆太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗衛(wèi)星”——“羲和號”。在去年10月14日發(fā)射成功后近一年時間，“羲和號”一直按照嚴(yán)格的活動軌跡替我們“御日”，截至今年8月30日，這顆人造衛(wèi)星累計下傳原始觀察數(shù)據(jù)50Tbit，生成科學(xué)數(shù)據(jù)300Tbit。
2022年8月30日，在“羲和號”第一次成果發(fā)布會上，國家航天局副局長吳艷華總結(jié)，“羲和號”創(chuàng)下了“五個國際首次”。
9月19日，在騰訊青少年科學(xué)小會現(xiàn)場，國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)總設(shè)計師兼副總指揮及國家航天局對地觀測與數(shù)據(jù)中心主任趙堅向小觀眾們講述“羲和”探日工程時，用三個“關(guān)鍵詞”解密了這五個“首次”。趙堅說，“羲和號”創(chuàng)下五個國際“首次”，是件很了不起的事，因為它標(biāo)志著我國正式步入空間“探日”時代。
羲和號的“破”與“立”
太陽被譽為“魔鬼星球”，由于內(nèi)部一直在進(jìn)行的劇烈核聚變運動，它每秒創(chuàng)造的能源比人類社會創(chuàng)造的能源總量還要多。
太陽給地球帶來溫度和能量的同時，也時時“生產(chǎn)”著威脅。1859年，一場歷史上最大的“太陽超級風(fēng)暴”猝不及防地造訪地球，給人類造成的損失約在2萬億美元；1989年3月，加拿大魁北克省因太陽風(fēng)暴停電12小時，超過600萬人受到影響。
即便在科技高度發(fā)達(dá)的今天，人類為了避免來自太陽的傷害，最佳手段也仍是預(yù)測，通過“看守”太陽的衛(wèi)星檢測到異常，讓人類有20個小時的時間來準(zhǔn)備應(yīng)對。自20世紀(jì)60年代以來，航天技術(shù)飛速發(fā)展，全球已發(fā)射了70多顆太陽觀測衛(wèi)星，聚焦在太陽黑子、耀斑和日冕物質(zhì)拋射等的觀測和研究。
“羲和號”代表我國觀測太陽，它是我國國家航天局于2019年6月批復(fù)立項，并在2021年10月14日，由CZ-2D Y53運載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射入軌。運行于平均高度為517公里的太陽同步軌道，主要科學(xué)載荷為太陽Hα成像光譜儀。
趙堅解密“羲和號”，第一個關(guān)鍵詞是“雙超”。“雙超”指超高指向精度和超高穩(wěn)定度。這兩個指標(biāo)決定了衛(wèi)星所攜帶的探測載荷在工作時獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。趙堅透露，“羲和號”指向精度達(dá)到了萬分之三度，姿態(tài)穩(wěn)定度達(dá)到了十萬分之6.3度每秒，這兩個指標(biāo)較同等慣量衛(wèi)星提高了1~2個數(shù)量級，達(dá)到國際先進(jìn)水平。
“通俗來講，就是‘羲和’這位攝影大師，不僅指的準(zhǔn)，而且拍的穩(wěn)?！壁w堅在演講中解釋，“準(zhǔn)”是用“指向精度萬分之三度”來衡量，“地球赤道有4萬公里長，在赤道上劃過萬分之三度，長度大概是33米”；談及“穩(wěn)”，趙堅先用我們平時拍照做比較，“因為手抖或者支架不穩(wěn)定，拍出模糊的效果”?！棒撕吞枴辈捎妙愃啤按艖腋 钡莫氶T絕技，達(dá)到了超高穩(wěn)定度，它在探測過程中可以做到紋絲不動、目不轉(zhuǎn)睛。
第二個關(guān)鍵詞為“太陽測速導(dǎo)航儀”。衛(wèi)星在太空中飛行，同樣需要定位導(dǎo)航服務(wù)，以準(zhǔn)確地獲取自身的位置和速度。早期，科學(xué)家們使用慣性導(dǎo)航來指引衛(wèi)星，但它容易產(chǎn)生漂移，積累誤差大；后來又改進(jìn)為導(dǎo)航衛(wèi)星，但衛(wèi)星導(dǎo)航的威力范圍只局限在“地球附近”，到了太空就無能為力；而“羲和號”上安裝的原子鑒頻太陽測速導(dǎo)航儀，為國際首次，趙堅透露，她的定位“精度可達(dá)每秒2米”。
第三個關(guān)鍵詞是“光譜成像儀”?！棒撕吞枴睂崿F(xiàn)了國際首次在軌對太陽Hα波段光譜掃描成像。太陽光譜中的Hα波段譜線是太陽爆發(fā)時響應(yīng)最強(qiáng)的色球譜線，能夠直接反映爆發(fā)的源區(qū)特征。此前，世界上其它國家都沒能做到用Hα波段掃描成像，直到“羲和號”出現(xiàn)。
據(jù)了解，裝載Hα成像光譜儀的“羲和號”可以較好地通過兩種方式觀測太陽：白光連續(xù)譜成像和光譜掃描成像。在白光連續(xù)譜成像模式下，可以獲得全日面像，如同人們按下快門拍照一樣簡單。在光譜掃描成像模式下，“羲和號”搭載的Hα成像光譜儀通過對太陽全日面掃描，歷時46秒即可獲得4600多條光譜，每條光譜都可以被復(fù)原成一張日面像，正如他在小會上做的比喻，“仿佛給太陽做CT”。
通過對Hα光譜數(shù)據(jù)的分析，可以從光球?qū)拥缴驅(qū)?，獲取太陽低層大氣的信息，從而推演太陽爆發(fā)時的大氣溫度、速度等物理量的變化，研究太陽爆發(fā)的動力學(xué)過程和物理機(jī)制。
羲和號衛(wèi)星的碩果，標(biāo)志著我國正式步入“自主探日”時代。
從“奔月”“探火”到“探日”
“自主探日”，意味著我們獲得了空間數(shù)據(jù)的自主權(quán)。
以前，我國空間的天氣預(yù)報數(shù)據(jù)來源主要依賴國外，這樣容易造成數(shù)據(jù)延遲，真實性也難以保證?！棒撕吞枴鄙咸旌?，我們自主掌控了這些數(shù)據(jù)，不再受人掣肘。另外，近年來，國際太陽探測領(lǐng)域發(fā)展迅猛，我國在該領(lǐng)域發(fā)表論文的數(shù)量已居世界第二位，但之前的科研成果中，引用的數(shù)據(jù)均來自國外，“羲和號”的出現(xiàn)，將徹底扭轉(zhuǎn)這一局面。
我國已經(jīng)向全世界開放共享“羲和號”數(shù)據(jù)，趙堅在演講中透露，可“通過南京大學(xué)太陽科學(xué)數(shù)據(jù)中心查詢和下載”，據(jù)國際在線報道，“羲和號”的科學(xué)數(shù)據(jù)得到了美國、法國、德國等太陽物理研究學(xué)者的廣泛應(yīng)用。
“羲和號”在太空中“監(jiān)視”太陽，盡可能保證我們在地球生產(chǎn)生活的安全，而我們生活的地球也正在被七顆高分衛(wèi)星“密切”關(guān)注著。
作為“高分”專項工程總師，趙堅在科學(xué)小會現(xiàn)場演講中，向青少年拋出的第一個問題是：什么是“高分”？“就是時時觀測著地球的一雙眼睛?！闭缡謾C(jī)分辨率越高拍照越清晰一樣，“高分”7型衛(wèi)星在太空為地球拍攝照片已經(jīng)實現(xiàn)“亞米級”，它不光分辨率高，還實現(xiàn)了高時效性、高光譜分辨率、高定位精度，時間達(dá)到秒級，光譜有幾百個譜段，定位精度也達(dá)米級。
今年2月，北京冬奧會開幕式上，就展示過用“高分二號”衛(wèi)星成像的比賽場館俯瞰圖，從太空的視角“探班”冬奧賽場，體現(xiàn)科技奧運的精神。
高分二號的“大哥”——“高分一號”衛(wèi)星于2013年4月26日發(fā)射入軌，已為我國國土資源部門、農(nóng)業(yè)部門、氣象部門、環(huán)境保護(hù)部門提供高精度、寬范圍的空間觀測服務(wù)，例如公安部就曾利用高分一號的數(shù)據(jù)，在黑龍江、內(nèi)蒙古、河北等地發(fā)現(xiàn)了多處罌粟種植區(qū)，2013年7月，甘肅岷縣發(fā)生地震后，高分一號獲取數(shù)據(jù)后，為災(zāi)區(qū)評價次生災(zāi)害檢測工作作出科學(xué)引導(dǎo)。
我國“設(shè)計”的這套高分辨率對地觀測系統(tǒng)，包含的七顆衛(wèi)星及相應(yīng)的觀測平臺，覆蓋了從全色、多光譜到高光譜，從光學(xué)到雷達(dá)，從太陽同步軌道到地球同步軌道等多種類型，構(gòu)建了一個具有高空間分辨率、高時間分辨率和高光譜分辨率能力的對地觀測系統(tǒng)。
“無論是觀測地球，還是探測太陽，這都只是空間科學(xué)的一些領(lǐng)域”，趙堅說道，那什么是空間科學(xué)？“主要是利用航天器研究發(fā)生在日地空間、行星際空間及至整個宇宙空間的物理、天文、化學(xué)及生命等自然現(xiàn)象及其規(guī)律的科學(xué)。”
從這個角度看，我國借助航天器“研究”月球和火星的空間科學(xué)也達(dá)到了領(lǐng)先水平。對月球的觀察，以2004年實施“嫦娥工程”為標(biāo)志，最新成果是“嫦娥五號”采集的月壤研究。這顆月球探測器于2020年12月著陸于月球，隨后對著陸點附近的月表物質(zhì)進(jìn)行了采樣、并成功將1371克月壤樣品帶回地球。
近日，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所科研團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號帶回的月壤中存在大量的太陽風(fēng)成因水，這一成果在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》發(fā)表。此前，遙感探測已發(fā)現(xiàn)月表普遍存在水，由于缺乏直接的樣品分析證據(jù)，月表水的成因和分布一直存在爭議。中科院的這一研究發(fā)現(xiàn)，為研究月表中緯度地區(qū)水的分布提供了重要參考。
探索火星的航天器也在近年取得突破性進(jìn)展，2020年7月，“天問一號火星探測器”在海南文昌發(fā)射成功，這是我國對于火星的首次探測任務(wù)，“天問一號”歷時7個月，飛行7.5億公里，于2021年5月在火星著陸。
盡管是探索火星的第一步，但邁出的步伐卻意義非常重大，“天問一號”成為繼美國以后第二個探測器正式登陸火星，并持續(xù)傳回清晰圖片的國家，可謂打破了美國在“登陸火星”上的技術(shù)壟斷地位。
仰望星空，還需從娃娃抓起
“火星上的落日，不是紅彤彤的，而是淡藍(lán)色的，火星上也有月亮，不過有點小，它不可能把太陽遮住，形成不了地球上的月全食?；鹦巧嫌歇毺氐幕鹦l(wèi)一凌日，幾十秒鐘過去也很壯觀。”月球及火星探測器副總設(shè)計賈陽，給孩子們描述火星的落日和天象，“探索火星的意義，在于為人類增加一個視角，從這個視角看火星、看地球、看太陽系，看整個宇宙，也審視人類自身”。
“我們?yōu)槭裁匆綔y研究‘暗物質(zhì)’”？中科院國家天文臺臺長常進(jìn)在現(xiàn)場回答了這個問題：中國要真正成為世界大國，為人類共同的夢想做出貢獻(xiàn)，在前沿科學(xué)領(lǐng)域不能缺席。他告訴孩子們，到今天為止，“悟空”科學(xué)衛(wèi)星已經(jīng)巡天13次，探測高能粒子數(shù)量高達(dá)135億次，它的7萬多個傳感器仍處于近乎完美的狀態(tài)。它是怎么做到的呢？“很簡單，也很不容易，那就是腳踏實地的做好每一件小事”。
中科院上海天文臺臺長沈志強(qiáng)、中科院粒子天體物理重點實驗室主任及高能物理研究所研究員張雙南也分別向小觀眾們科普了黑洞、慧眼衛(wèi)星等宇宙物質(zhì)及前沿探測手段，從基礎(chǔ)知識到最新進(jìn)展，可謂是一個國家頂級的“宇宙天團(tuán)”在向青少年做科普。
這樣的豪華陣容，背后是青少年航天科普的重要意義。
與美國、俄羅斯（含蘇聯(lián)時期）、日本、歐洲等國家相比，我國深空探測領(lǐng)域雖然起步晚，但是起點高，例如早在上世紀(jì)60年代，美蘇已經(jīng)實現(xiàn)人類登月計劃，直到2004年，我國的“嫦娥工程”才開始實施，成功率卻達(dá)到100%；“天問一號”也成為世界第二個著陸火星的衛(wèi)星，第一個著陸火星的衛(wèi)星是1997年美國的“探路者號”……
在系列階段性的成就面前，我國對深空探測也有了相對明確的規(guī)劃：2030年前的小行星探測計劃，因為小行星被稱為太陽系起源的“活化石”，一旦成功科研價值重大；2025年至2030年，科學(xué)家們還規(guī)劃了木星系探測及行星穿越計劃，按照這份時間表，我國將于2036年到達(dá)木星；2030年之后，還有更精細(xì)、更深遠(yuǎn)的機(jī)器人深空探測有望展開，并在2048年左右實現(xiàn)到達(dá)天王星。
這些看似遙遠(yuǎn)的星辰大海，是一個國家未來綜合國力的象征，也代表著人類的共同命運，它需要持續(xù)投入大量的人力物力和財力，而當(dāng)今的青少年群體就是這項事業(yè)的“后備軍”。在“仰望星空”這件事上，給青少年埋下一粒好奇心的種子，或許以后就能長成一棵參天大樹。2020年11月16日，國家領(lǐng)導(dǎo)人在科學(xué)家座談會上指出，“好奇心是人的天性，對科學(xué)興趣的引導(dǎo)和培養(yǎng)要從娃娃抓起，使他們更多了解科學(xué)知識，掌握科學(xué)方法，形成一大批具備科學(xué)家潛質(zhì)的青少年群體?！?/p>
要讓青少年科普更有趣更優(yōu)質(zhì)，還需要社會各界形成合力，營造良好的崇尚科學(xué)的氛圍，健全完善科學(xué)教育的體制機(jī)制。到2022年，騰訊科學(xué)小會已經(jīng)做到第四屆，通過頂尖科學(xué)家陣容、定制化趣味內(nèi)容、平臺和創(chuàng)意能力，吸引了4000多萬青少年通過線上線下的方式聆聽科學(xué)家分享。
科學(xué)小會更像連接器，一邊是公眾及青少年，一邊是科學(xué)家資源、優(yōu)質(zhì)內(nèi)容的整合，讓更多青少年有科學(xué)探索的意識，種下一顆科學(xué)種子。正如騰訊青年發(fā)展委員會副主席李航在小會開場時所說：“人類科學(xué)史，是科學(xué)發(fā)展的歷史，也是科學(xué)前輩與后輩薪火傳承的歷史。其實放眼全球，有許多科學(xué)家都在青少年時期被前輩科學(xué)家們啟發(fā)過。我們希望，今天大家與科學(xué)家們的相遇，能為你種下一粒種子，未來在人生中綻放出絢爛的花朵”。
