第738期【齐悦读—线上共读—透视新科技】《“羲和号”探测器》
讲座题目：透视新科技——“羲和号”探测器
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：李 川，南京大学天文与空间科学学院教授。
田 晖，北京大学地球与空间科学学院教授。
讲座时间：2026年元月26日～2月1日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——“羲和号”探测器
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春。2021年10月14日，我国成功地发射了首颗探日卫星“羲和号”，有人形象地把它比喻成是地球的一颗眼睛，时刻地观测着太阳的一举一动，那观测太阳的变化对我们人类的生活有什么影响呢？我们通过短片来进入今天的节目。夸父逐日，后羿射日，羲和浴日，从远古时期开始，人们对太阳就充满了好奇。1609年，伽利略发明了天文望远镜。1610年，他将望远镜对准了太阳，开始记录太阳黑子，人类对太阳的科学观测从这一年正式开始了。在此后几百年的时间里，人们对于太阳进行了孜孜不倦的探索。从上个世纪六十年代开始到今天，人类已经向太空发射了30多颗专门的太阳探测卫星，和70多颗与太阳探测相关的卫星。人类发现，太阳不仅给地球带来了光明，它还是地球的能量来源，让地球的万物得以生存、生长。太阳的变化不仅对地球会产生重要的影响，也影响着人类的活动和未来。2021年10月14日，我国第一颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”顺利升空，中国也由此开启了空间探日的时代。“羲和号”探测器有何过人之处？它又会给我们带回哪些新消息呢？首先我们给大家介绍一下今天请来的两位嘉宾，一位是南京大学天文与空间科学学院的教授，“羲和号”科学与应用系统的总设计师李川，另外一位是北京大学地球与空间科学学院的教授田晖。
“羲和号”这个名字的由来，两位能不能给我们介绍一下？“羲和号”实际上是我们在卫星发射之前，由国家航天局、南京大学和上海航天技术研究院我们联合发起了向公众的一个征名活动。那么通过征名，我们就把卫星命名为“羲和号”。那么“羲和”其实也是我们的太阳女神，屈原在他的《离骚》里面曾经提到过“吾令羲和弭节兮，望崦嵫而勿迫，路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”，所以“羲和”其实也像屈原说的“羲和号”卫星也体现了我们对太阳研究的这样一个探索的开端。“羲和号”的成功发射是中国太空探日开始。我们国家其实在地面望远镜太阳的这个观测方面，在世界上还是相当有地位的，早在（上世纪）七八十年代、八九十年代，那个时候我们国家的怀柔的太阳观测基地，包括今天的云南抚仙湖的太阳观测基地，还有现在蒙古明安图的射电太阳观测基地，这在国际上还是有相当地位的。但是空间的太阳观测大体上可以说从去年（2021年）开始的，去年的夏天，我们国家有一颗气象卫星，叫风云三号E星，这颗卫星上它实际上携带了一台对太阳的X射线和极紫外的成像仪，而“羲和号”它实际上是填补了中国太阳探测专用卫星的这样一个空白，我们以前是没有太阳探测专用卫星的，“羲和号”是第一颗。
从古时候人们就喜欢看天，观测太阳。我们观测太阳，它的意义是什么？我们知道太阳，它是太阳系的主宰，它给地球提供了光和热，它也是我们地球上一切生命的源泉。那另外一方面，太阳上它发生的各种尺度的活动现象，对我们地球以及人类的活动，都有着巨大的影响。能举个例子吗？首先，太阳活动的周期性效应，众所周知，太阳有一个11年的活动周期，当然太阳还有一些其他的活动周期，比如说80到100年这样的一些活动周期。太阳的活动周期，会对地球气候的变迁产生影响，有些研究表明，这种活动的周期性会影响到地球的气温、降水等等，比方说在1645到1715年这七、八十年的时间，太阳上的黑子记录得非常少，有的时候它一个月都没有出现一个，这段时期称之为蒙德极小期。在这段时间，它恰恰对应的是地球历史上的一个小冰期，全球的气温都有一个明显的下降，我们国家包括欧洲其实有很多文献这样地记载，在这段时间也发生了一些自然的灾害，粮食的减产，当然后果可能会导致一些战乱的发生。我们有太阳黑子的数据，我们有地球气候的数据，你把这两条曲线画在一起，它们确实有一定的相关性，这个是大家都非常认可的，背后的这个物理过程，我们现在还没有搞清楚。是的，人类目前已经发射了70颗跟太阳相关的探测卫星了，那“羲和号”的发射是之前任务的一个补充吗？
人类对太阳的观测，它是一个持续不断地这样一个过程，我们的卫星它都有自己的设计寿命，所以我就需要一代接一代的卫星进行一个接力，比如说大家耳熟能详的哈勃空间望远镜，它的继任者是前不久才刚刚发射的詹姆斯韦布望远镜，包括我们的嫦娥工程，还有火星计划，都是需要一代又一代，不断地对未知进行这样一个探索的过程，“羲和号”也是这样。我们发射的这么多观日的卫星，获得有价值的信息对人类生活的指导意义是什么？我举个例子，通过这个卫星上天开始观测太阳以后，人们就发现太阳的日冕里面，它有大团的物质在往外运动，在往外抛射，那这个现象以前大家是不知道的，那现在我们知道这个东西，我们把它取名叫作日冕物质抛射，现在我们知道它是整个太阳系里面最大规模的一种爆发现象，这个东西它就对我们的地球有非常严重的影响，它如果是朝着我们地球传播，太阳上这么大一团的物质，它可以压缩我们地球的磁场，然后产生所谓的地磁暴。会导致什么？或者是电离层暴，从而导致我们地球上的电力、通（信）导航以及人造卫星，它的正常运行受到影响。比如我举一个例子，在1989年3月份，当时太阳上发生了非常频繁猛烈的太阳爆发，就产生了很多的这种日冕物质抛射的这种现象，继而就引发了很强的地磁暴，我们叫超强地磁暴，就是导致加拿大的魁北克省，它电力系统就整个瘫痪了，600万人在寒冬中无电可用。另外，很多国家无线电通信的系统，受到干扰或者是中断，轮船和飞机的导航系统，也有很多都失灵了，很多的人造卫星以及星载的仪器的正常运行受到严重的损伤，甚至是损毁了。
这都是太阳惹的祸？对，其实还有很多，比如说2016年3月份，日本发射了一颗X射线天文卫星，它的造价是5亿美元，但是它的寿命就是5周，它的原因也是在于太阳爆发产生的地磁暴，加速的一些高能粒子打到了卫星的一些元器件上，使得卫星最终经过一系列的错误操作就毁掉了。还有最近刚刚发生的这个事情，今年（2022年）的2月份，美国SpaceX（太空探索技术）公司它所发射的49颗星链卫星，它其中的40颗也是由于太阳爆发的影响而坠毁的。除了对地球和人类活动这样一个影响以外，太阳它本身也具有非常重要的科研价值，比如我们想了解为什么太阳黑子以及太阳的活动，它有11年的周期，那太阳的最外层大气，我们叫它叫日冕，它为什么会有百万（摄氏）度这么高的温度？然后太阳它为什么会爆发？它爆发机制又是什么样的？这些都是我们太阳物理学者最关注的科学问题，它也是整个天文与空间科学的重大前沿课题。我们的探测太阳，其实一个核心目标就是要推动这些关键科学问题的解决。
科学家给“羲和号”的定位，是一个科学技术试验卫星，它重550公斤，设计寿命为3年，运行于平均高度517公里的太阳同步轨道，对太阳进行监测。“羲和号”的主要科学载荷是Hɑ成像光谱仪。Hɑ是目前研究太阳活动在光球和色球响应时最好的谱线之一，而“羲和号”则是国际首次在太空使用该光谱对太阳进行探测。“羲和号”就像人类送到太空的一个巨大的扫描仪，它需要每隔46秒对太阳大气进行一次精密扫描，记录下在太阳爆发时，太阳大气的温度、速度等物理量的变化和规律，只是要在遥远的太空一边移动一边做到精确扫描，并不是一件容易的事情。那为了达到这样的目的，我们面临的难度是什么？“羲和号”它的科学载荷叫作Hɑ成像光谱仪，那么这个仪器它就像一台大型的扫描仪，然后我来扫描太阳日面上的一些活动信息，这样的话我就需要首先保证它的稳定性。那第二我还要让这个仪器能够尽可能多地扫描到太阳大气的不同的层次，这是它的两个难点。那这两个难题如何解决？
卫星的运动，是靠平台舱来控制的，但是这样的话平台（舱）的一些振动就不可避免地会产生，这样怎么办呢？我们就通过一个磁浮技术，使得平台舱和载荷舱进行隔离，也就实现了动静隔离，这样的话就相当于给我的望远镜加了一个机身防抖的功能，类似于磁悬浮列车。磁悬浮列车是通过一个电磁作用，使得这个列车和轨道之间，实现了一个磁悬浮。那一则它减少了摩擦力，让列车走得更快。二则就是列车在运行的过程之中，它会特别地稳定，比如我们经常看到有人拿一个硬币放在窗边或者扶手上，这个硬币也不会倒，这个道理其实是一样的。第二点就是我们要尽可能地扫描到太阳大气更多的层次，那为了实现这一点，“羲和号”实际上是采用了高分辨率这样一个光谱观测，那这句话怎么来理解呢？我们知道可见光一般来讲是大概400纳米到700多纳米这样一个很宽的波段，我们通常的照相机拍照，实际上就是要记录这么宽的这样一个波长范围里面总的光强，而“羲和号”它所携带的Hɑ成像光谱仪，它可以把我们太阳光分成很多的小份，按照波长来分。然后每一份它的波长宽度是0.002纳米，可以说相当精细了。通过高分辨光谱的观测，“羲和号”实际上是可以对我们太阳大气不同的层次进行拍照。
它跟全球其他类似的这种探日的卫星比较起来，在技术上有先进的地方吗？“羲和号”的一个主要的特色，就是46秒可以获得全日面上任何一点的光谱信息，在这一点上，国外的一些卫星还没有达到这样的一个观测。原因是在于如果我要进行一个非常精细的光谱观测，或者说空间分辨率很高的这样一个观测，我需要把望远镜的口径做得很大，做得很大的结果就是它只能观测太阳局部区域的观测。获得一个局部的结果？这实际上就有点类似我们医院里面的这种CT扫描。那CT扫描可以对人体里面的骨骼、肌肉、内脏进行成像，我们的“羲和”所携带的Hɑ成像光谱仪，看起来就有点像对太阳进行CT扫描了。
“羲和号”它要完成的使命是什么？“羲和号”它的目的还是要研究太阳活动的奥秘，可以简单地归纳为三个部分。第一个方面我们简单地说，就是我通过观测，我能够了解太阳活动在太阳大气里面温度的表现、速度的表现以及密度等等的这些物理信息，它的这些规律，我掌握了这些规律，我就能够了解太阳活动是怎么产生的。我们对太阳的观测和研究越来越多，那我们对太阳上各种活动现象的理解也越来越全面、越来越深入，比如在1859年9月初，这个时候太阳上发生了一次非常强烈的爆发性活动，过了大概一天以后，我们地球上就开始有响应了。那个时候地球上最常用的高科技系统可能就是电报机了，那个电报机就有很多，它实际上人们都没发电报，但是你发现对方收到电报了，就是它自动地就产生了这样一些效果，而且很多电线、电报机的电线都烧毁了，这实际上都是太阳爆发引起的地磁暴，地磁暴导致的这样一个感应电流所产生的效果，还有就是我可以通过“羲和号”的观测来研究太阳暗条，它的形成和演化，还有它与太阳爆发之间的关系，暗条在它的演化过程之中有可能会产生太阳爆发，那么我通过对它的观测，我就可能预测太阳爆发。
比如太阳活动可以影响我们信鸽的飞行，我们知道信鸽实际上是靠地磁场来导航的，靠地磁场来辨别风向。当太阳爆发的时候，导致地磁场发生变化了，那这个时候信鸽他就迷路了，它就找不到回家的路了。我们知道就我们有很多的朋友喜欢参加这种放鸽子比赛，信鸽比赛，那我们国家的空间天气预报部门，它实际上就搞了一个叫作信鸽指数的一个东西，实际上就是通过预报太阳的爆发以及它对地磁场的影响，来告诉我们哪一天适不适合放鸽子，这样的话可以减少我们鸽友的经济损失。假如说这鸽子放了没回来，别怪鸽子，有可能是太阳磁场的影响，这个实际上发生过很多次这种现象。
还有一点就是“羲和号”它也可以建立太阳和其他恒星之间的一座桥梁，为什么这么说呢？因为除了我们太阳以外，其他的恒星在我们地球附近去观测它，它就是一个点，因为它离我们太遥远了。那我们“羲和号”它可以观测整个日面上每一个点的光谱，然后我们把这个每一个点的光谱加起来，实际上就可以得到太阳作为一个点它的光谱。那这样的光谱就可以跟遥远的恒星的光谱进行比较，这样的话就可以帮助我们理解这些恒星上到底发生了什么？然后恒星的那些活动，它跟我们太阳的这些活动，它有哪些相同之处、不同之处。对太阳的探测和研究，是我们了解宇宙的一个窗口。那我通过对太阳的探测和研究，我就可以了解宇宙中的其他的一些天体，比方说我们《三体》里面曾经介绍过的比邻星，它的上面有没有类似于太阳爆发这样的现象，有没有像太阳这样的周期性的活动规律？那再比如说我们宇宙中一些非常高能的天体物理现象，恒星在死亡的时候，它会爆炸，产生超新星爆发，它会产生激波。那还有黑洞的吸积盘，还有它喷流区有一些高能的能量释放现象，磁重联过程，那这些现象都可以在太阳上找到范本，对它了解得越清楚，我们对宇宙其他的一些天体，也了解得越清楚。
“羲和号”是去年（2021年）十月中旬发射成功的，到目前为止我们观测到了哪些有价值的信息？目前我们已经获得了首批的太阳科学数据，在国际上首次实现了太阳Hɑ波段光谱成像的一个空间的观测。这些科学数据的光谱分辨率和它的时间分辨率都已经达到了一个国际的较为先进的水平。未来我们要把这些科学数据进行一个国际的共享，完全地向世界上的科学家进行一个开放，让大家来用“羲和号”的科学数据，来做相关的研究，也相当于为世界上的太阳物理来贡献咱们的中国力量。经过几个月的在轨试验和调试，目前“羲和号”运行状况十分良好，已经完成了多次卫星平台技术验证，在国际上首次实现了太阳Hɑ波段光谱扫描成像的空间观测，国际首次在轨获取太阳Hɑ及附近Sil（硅1）和Fel（铁1）谱线轮廓，获得了高精度全日面色球和光球多普勒速度场。“羲和号”的这些科学数据将对太阳物理和空间天气的研究，提供关键的数据支撑。除此之外，“羲和号”在卫星技术上的试验也顺利完成，它实现了Hɑ光谱的快速扫描、太空磁悬浮技术的应用等等，为我国未来的空间探日工程提供了技术准备。
“羲和号”的成功发射对未来的探日工程来讲，它的意义是什么呢？实际上我们不同的太阳观测卫星，或者说不同的太阳望远镜，它的科学目标以及观测能力都是各不相同的，是互补的这样一个关系。未来我们也希望结合“羲和”以及其他的太阳观测卫星和望远镜的数据，来更全面更深入地来理解太阳活动的规律。这样的话也能够让我们“羲和”的科学产出最大化。我们现在太阳活动正在进入它的上升期，大致我们在2025年前后，要进入到太阳活跃的一个峰年，“羲和号”卫星的设计寿命是3年，那正好可以覆盖从现在的上升期到峰年这样一段时间，所以“羲和号”的时机非常好，它能够捕捉到非常多的太阳爆发的活动，这对于太阳物理研究和空间天气研究来说非常好。另外，实际上我想说的一点是“羲和”它是一颗科学技术试验卫星，可以说它是小试牛刀。这等于说我们一个探日的希望的一个开始，就像一个人说，我立志要登上泰山之巅，表演一段高难度的舞蹈，首先我们要知道你能上得去，“羲和号”起的也是这样一个作用？对。
实际上，在今年（2022年）的下半年，我们国家还将发射另外的一颗探日卫星，叫作先进天基太阳天文台，英文简称叫作ASO-S, 它将是我们国家的第一颗综合性的太阳探测卫星，实际上现在我们已经是2022年了，太阳上的黑子是越来越多了。也就是说我们在未来几年太阳的活跃程度会越来越高，将会有大量的太阳的爆发现象。那在目前“羲和”以及风云三号卫星，还有马上要发射的ASO-S卫星，这样一个全力的支持下，我们国家的太阳物理界，有望在重大太阳爆发事件以及它们对地球的影响这方面，做出国际一流的研究成果。“羲和号”的主要任务是观测和记录太阳活动时太阳低层大气的变化，通过对这些变化数据的分析，科研工作者可以预测太阳爆发的时间和规模，揭示太阳暗条与太阳爆发的内在联系等等。但是整个太阳对于人类来说，还有很多未解之谜。比如太阳活动为什么会有周期性，太阳最外层的日冕为什么会有超越内层的高温，太阳活动对地球的影响，是否能够做到实时观测和预报？对于太阳这个与人类生存息息相关的星球，我们还需要更多更全面的探测和解读。作为一颗试验卫星，“羲和号”的功能可能还无法揭开这些谜团，但是它却是中国空间探日走出的坚实一步。
我们借今天的“羲和号”，我们的探月卫星的开始，两位也跟我们展望一下，我们对太阳观测最后到底对我们人类生活的影响会是什么？我举一个例子，它可能对于我们理解太阳活动以及地球的气候之间的联系，可能有很重要的作用。我们已经知道在大概百年的时间尺度上，太阳活动的水平跟地球气候的变化是有强烈相关性的，那如果我们把太阳的运行规律，它的这样一个物理机制把它搞清楚，我们就有望预测未来几十年，甚至上百年的或者说几百年的太阳活动的水平。那由此我们就可以提前预知未来几十年和几百年的地球气候的变化了，据此我们就可以提前规划我们未来的生产生活的活动。田老师说的是一个很长期的一个尺度上来看的话，如果我们对太阳活动了解得越清楚，对太阳活动的规律，太阳爆发的机制了解得越清楚，那我们就能够更加精确地进行空间天气预报。未来我们希望能够像预报地面上的天气一样来进行空间天气预报，可能在不久的将来，人类将实现太空旅行。那未来，我要进行太空旅行的时候，可能首先需要看的就是空间天气预报。
那时候打开电视，现在来播送一下宇宙天气预报，木星的温度是多少，火星是多少，太阳是怎么样的？对，是的。如果我们将时间尺度放得更加长远些，那地球和人类的命运其实也取决于太阳的活动，那未来我们的地球会不会是人类最终的家园？我们会不会像《流浪地球》和《星际穿越》中介绍的那样，会进行一个星际的移民。我们现在寻找宜居的行星，是一个非常热门的话题，社会上有很多关于这方面的讨论，实际上这个恒星的活动是决定行星宜居性的一个非常关键的因素，所以我们现在也在酝酿，针对其他恒星的探测计划，以帮助我们来判断在哪些恒星和行星系统中可能有生命存在。今天非常感谢两位来到我们演播室当中，也感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目！如果您对我们的节目感兴趣，可以下载央视频收看我们过往的节目。好了，今天的节目就到这儿了，我是胜春，咱们下期节目再见。
