太阳物理学黄金时代精彩继续

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>过渡区和日冕探测器美国

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>印度遥感勘测卫星印度

TRACE(过渡区和日冕探测器)是NASA的一项小型探测器任务,目的是进行日冕和过渡区的高空间和时间分辨率成像工作。这次任务是对SOHO(太阳与日光层观测卫星)任务的补充。这颗卫星使用一枚由一架L-1011飞机在大西洋上空投下的“飞马座XL”火箭发射。它的极轨道使它能够几乎连续不间断地进行太阳观测,在很长的周期内不会被地球的阴影所影响。这条轨道为它观测太阳大气中耀斑和大规模喷发的产生过程提供了宝贵的机会。

“太阳轨道飞行器”和“帕克”太阳探测器。图片来源:欧空局网站

IRS系列是印度的第一个国内地球资源卫星,在这之后进行的是IRS-P系列的预运行任务,这些任务的目的是进行技术评估,都由PSLV火箭发射。

结构特点研制历程使用情况结构特点

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结构特点研制历程使用情况型号演变结构特点

TRACE是一颗单一装备、三轴稳定的飞行器。这颗飞行器的姿态控制系统使用三组磁矩线圈、一部数字太阳传感器、六部低精度太阳传感器、一个三轴磁力计、四组反作用飞轮和三组陀螺仪来保持望远镜的指向。

北京时间2月10日12:03,欧洲空间局和美国国家航空航天局携手研制的“太阳轨道飞行器”成功发射,它将首次给太阳南北两极拍“正面照”,揭示太阳磁场的奥秘。这是继2018年升空的“帕克”太阳探测器之后,人类近期向太阳派遣的第二位使者。

IRS-P3卫星是一颗盒状飞行器,它装有4块垂直的面板和两块水平甲板。卫星的有效载荷安装于上甲板。两块能够跟踪太阳方向的太阳能电池帆板能够产生873瓦电力。这颗三轴稳定的卫星使用地球传感器、太阳传感器和陀螺仪作为姿态传感器;它还装有反作用飞轮、磁力矩器和助推系统。卫星的光电子扫描仪系统由德国宇航中心(DLR)提供。

这颗飞行器的八边形主体中装备了电子设备、计算机、异频雷达收发机、陀螺仪、反作用飞轮和扭矩杆。星体上装有4块砷化镓太阳能电池板和两架天线(分别安装在两块太阳能电池板的末端)。星体的顶端是主要的科学研究设备一一架对太阳进行紫外线成像的望远镜,它的长度为30厘米(12英寸)。

北京大学地球与空间科学学院教授、中科院太阳活动重点实验室主任田晖激动地对科技日报记者表示:“1995年以来,人类共发射9颗太阳观测卫星。此外,地面上也有多台太阳光学望远镜和射电望远镜,还有至少5颗太阳观测卫星蓄势待发。在这些设施的加持下,太阳物理学正处于并将在未来至少20年内继续处于黄金时代!”

研制历程

研制历程

双剑合璧

IRS系列是印度的第一个国内地球资源卫星计划。这个系列中的第一颗卫星IRS-1A在1988年3月17日由“东方号”运载火箭发射;随后的两次IRS-1系列任务也是由俄罗斯火箭发射的。这一系列的第四次也是最后一次任务IRS-1D由一枚印度PSLV火箭发射,但被错误地发射到了高椭圆轨道。在这之后进行的是IRS-P系列的预运行任务,这些任务的目的是进行技术评估,都由PSLV火箭发射。由于定向观测所需的燃料耗尽,这颗卫星的红外线观测任务于2000年6月结束。IRS-P3卫星在2003年就遇到了能量供应问题,开始改变轨道。光电子扫描仪的数据传输于2004年5月31日结束,几个月后所有操作停止。最近的IRS系列卫星已经开始命名(例如CARTOSAT),并分别对不同的名字进行讨论。

这架望远镜由洛克希德·马丁公司与斯坦福大学联合建立的先进技术中心的太阳和天体物理学实验室负责设计、制造、测试和校准。它的基本任务时间为1年,但这颗卫星在发射9年以后仍然运转良好。

太阳提供的能量让生命得以在地球上繁衍生息,但太阳的“性格”复杂多变,耀斑、日冕物质抛射及它们所产生的高能带电粒子等极端事件会给在太空作业的宇航员、人造卫星乃至地球生命带来危害,因此,更好地了解太阳的“一举一动”非常重要。

使用情况

使用情况

田晖指出:“太阳还是一个天然的物理学实验室,对太阳的研究极大地促进了等离子体物理学、粒子物理学等学科的发展。更重要的是,作为唯一可以进行高空间分辨率观测的恒星,太阳观测对于我们了解其他恒星上的物理过程具有独一无二的参考价值。”

由于定向观测所需的燃料耗尽,这颗卫星的红外线观测任务于2000年6月结束。IRS-P3卫星在2003年就遇到了能量供应问题,开始改变轨道。光电子扫描仪的数据传输于2004年5月31日结束,几个月后所有操作停止。

过渡区和日冕探测器于1998年4月在美国宇航局范登堡空军基地发射。

据ESA网站介绍,“太阳轨道器”将近距离研究太阳,首次对太阳极区开展高分辨率观测,让人们窥视太阳两极的“真容”,更好地理解日地关系。ESA科学主管君特·哈辛格说:“‘太阳轨道器’任务结束时,我们将比以往任何时候都更了解导致太阳行为不断变化背后的神秘力量及其对地球的影响。”

型号演变

NASA副局长托马斯·楚比兴说:“‘太阳轨道器’将与‘帕克’‘双剑合璧’,刷新我们对太阳的认识。”

这个系列中的第一颗卫星IRS-1A在1988年3月17日由“东方号”运载火箭发射;随后的两次IRS-1系列任务也是由俄罗斯火箭发射的。这一系列的第四次也是最后一次任务IRS-1D由一枚印度PSLV火箭发射,但被错误地发射到了高椭圆轨道。在这之后进行的是IRS-P系列的预运行任务,这些任务的目的是进行技术评估,都由PSLV火箭发射。

“帕克”比“太阳轨道器”更近距离“触摸”太阳,研究太阳风如何产生,但它没有相机给太阳拍照;而“太阳轨道器”与太阳距离适中,可对太阳远程拍照及原位测量,并首次观察太阳两极。NASA“太阳轨道器”科学家霍利·吉尔伯特说:“这两大探测器的非凡冒险,可以帮助我们揭示太阳及其大气层的奥秘。”

楚比兴进一步指出:“我们正迈入太阳物理学新时代!这些探测器将改变太阳研究的面貌,帮助宇航员在执行‘阿耳忒弥斯’登月任务时更安全。”

各怀绝技

从古至今,人们对太阳一直充满好奇,“夸父逐日”的故事流传数千年不衰。太阳还有很多未解之谜。如太阳爆发是怎么产生的?日冕百万摄氏度高温是如何维持的?黑子周期是如何形成的?等等。为此,人类朝太阳派出了不少“使者”。

田晖说:“20世纪60年代到90年代初,美国、日本等国先后成功发射了多颗太阳观测卫星。自1995年来,人类不到3年就发射一颗太阳观测科学卫星,迄今已有9颗。包括‘太阳和日球层天文台’、‘太阳过渡区与日冕探测器’、‘拉马第高能太阳光谱成像探测器’、‘日出’卫星、‘日地关系天文台’、‘太阳动力学天文台’、‘太阳界面区成像光谱仪卫星’、‘帕克’和‘太阳轨道器’。这些科学卫星各个‘身怀绝技’,除TRACE和RHESSI已退役外,其他7颗卫星都在轨正常运行,为人类揭示太阳的奥秘。”

田晖介绍说,1995年发射、美欧联合研制的SOHO卫星能给太阳进行“全身体检”。它已完整覆盖两个11年太阳周期,在太阳内部结构、太阳磁场演化、日冕加热、太阳风起源、日冕物质抛射等重要课题上极大地更新了我们的认知,“可以说,SOHO卫星对太阳物理的知识体系具有革命性的影响”。

2006年发射的Hinode卫星项目由日本、美国、欧洲三方合作,其太阳磁场观测、极紫外光谱测量和软X射线成像观测在当时均达到世界最好水平,大大增进了人们对太阳小尺度磁活动、日冕动力学等方面的认识。

美国2013年发射的IRIS卫星则主要关注太阳表面和日冕之间的色球层和过渡区。这两个层次在太阳大气中的物质和能量传输中占据关键位置。IRIS卫星也首次实现了对太阳过渡区的直接成像,其观测在过渡区动力学和低层大气活动等方面取得了一系列突破性的进展。

精彩继续

田晖表示:“‘太阳轨道器’的成功发射,并不意味着人类探测太阳脚步的停歇。未来5年,人类还将发射至少5颗太阳探测卫星:中国的‘先进天基太阳天文台’、太阳探测双超平台技术试验卫星;印度的‘阿迪蒂亚一号’;NASA的‘统一日冕和日球层偏振卫星’及ESA的‘普罗巴3号’。”

田晖介绍,这5款太阳探测器也各负使命。ASO-S将观测太阳爆发及驱动爆发的太阳磁场,也将同时观测太阳耀斑和日冕物质抛射,研究这两者间的相互关系和形成规律。ASO-S拟于2022年前后升空;太阳探测双超平台技术试验卫星将通过高光谱扫描成像方法,在Hα谱线的不同波长位置实现全日面成像,该卫星计划2020年发射。

印度空间研究组织将于2021年前后发射该国首颗太阳探测卫星Aditya-L1,主要研究日冕动力学,兼具观测太阳色球层和光球层等任务。

PUNCH任务是NASA最新批准立项的一颗卫星,它将直接关注日冕及其如何产生太阳风,还将跟踪日冕物质抛射——其可驱动地球附近的灾害性空间天气事件,如地磁暴。PUNCH卫星计划2023年发射。

据物理学家组织网2月10日报道,“太阳轨道器”成功发射之后,ESA拟再接再厉,派遣两颗卫星组成的Proba-3任务观测日冕。Proba-3将创造人工日全食,使天体物理学家们未来能持续观察日全食6小时而非现在的短短几分钟,从而获得日冕的清晰图像,揭示其百万摄氏度高温及爆发活动的奥秘。Proba-3计划于2022年中期发射。

田晖进一步介绍:“除上述天基太阳探测器,地面上还有多台光学望远镜和射电望远镜,包括目前性能最强的太阳望远镜丹尼尔·井上太阳望远镜,我国的新真空太阳望远镜和明安图射电日像仪等。”

“这些太阳观测设施,让太阳物理学黄金时代的精彩得以继续。此外,我国太阳物理界也正在大力推进地面大口径太阳望远镜和太阳立体探测卫星计划,如能成功立项,将大大加强我国太阳物理学研究在国际上的地位。”田晖满怀期待地说。

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