今年2月以來，基于“羲和號(hào)”的觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)出的科研成果接連見諸國際期刊：南京大學(xué)太陽物理團(tuán)隊(duì)借助“羲和號(hào)”再現(xiàn)太陽暗條爆發(fā)三維動(dòng)力學(xué)過程；北京大學(xué)、南京大學(xué)、云南大學(xué)、中國科學(xué)院云南天文臺(tái)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)合作，利用“羲和號(hào)”衛(wèi)星的Hα（氫阿爾法）光譜成像以及美國太陽動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)的數(shù)據(jù)，揭示太陽大氣中一種特殊磁場位型的形成過程及其內(nèi)部能量變化情況，為太陽噴流過程中的能量儲(chǔ)存和釋放機(jī)制提供了重要線索……
自“羲和號(hào)”發(fā)射以來，人類對于太陽的了解，又多了一個(gè)獨(dú)特的空間視角。
“目前，‘羲和號(hào)’與‘夸父一號(hào)’等國內(nèi)探測設(shè)備開展了一系列聯(lián)合研究，國內(nèi)天地一體化太陽探測體系初步形成?！敝袊茖W(xué)院院士、“羲和號(hào)”科學(xué)總顧問方成日前在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)表示，“我們要用中國自己的太陽探測設(shè)備做一流的研究。”
首次實(shí)現(xiàn)太陽Hα譜線空間探測
記者：“羲和號(hào)”發(fā)射兩年半以來運(yùn)行情況如何，數(shù)據(jù)開放情況怎樣？
方成：自2021年10月發(fā)射以來，“羲和號(hào)”在軌穩(wěn)定運(yùn)行，已經(jīng)至少觀測到數(shù)百個(gè)太陽耀斑的爆發(fā)過程?！棒撕吞?hào)”的設(shè)計(jì)壽命是3年，但現(xiàn)在看來，其服役期還可以延長1—2年。
目前，“羲和號(hào)”約95分鐘繞地球旋轉(zhuǎn)1圈，每天旋轉(zhuǎn)15圈。每天的觀測數(shù)據(jù)由3個(gè)地面接收站接收后，傳到中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，再傳到南京大學(xué)的太陽科學(xué)數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件自動(dòng)處理和人工校對后，毫無保留地向全球開放。目前我們已經(jīng)累計(jì)發(fā)布了約450T的觀測數(shù)據(jù)。
記者：“羲和號(hào)”數(shù)據(jù)的使用情況如何？這些數(shù)據(jù)產(chǎn)出了哪些成果？
方成：“羲和號(hào)”的數(shù)據(jù)包括全日面光譜數(shù)據(jù)、圖像等。在對太陽的空間觀測方面，這些數(shù)據(jù)是獨(dú)一無二的。現(xiàn)在美國、法國、德國、英國等十幾個(gè)國家都在用“羲和號(hào)”的數(shù)據(jù)做研究。
學(xué)術(shù)界使用“羲和號(hào)”的觀測數(shù)據(jù)，收獲了不少研究成果。去年8月，國際著名學(xué)術(shù)期刊《天體物理學(xué)快報(bào)》為“羲和號(hào)”相關(guān)研究成果開設(shè)了專欄，這是該期刊首次為中國天文觀測設(shè)備設(shè)立專欄發(fā)布研究成果。截至目前，專欄已經(jīng)發(fā)表了11篇論文。
記者：相較于以往我們從國外太陽探測器獲得的數(shù)據(jù)，“羲和號(hào)”的觀測數(shù)據(jù)有什么獨(dú)特價(jià)值？
方成：自20世紀(jì)以來，世界各國已經(jīng)發(fā)射了70多顆太陽探測衛(wèi)星，目前在役的還有10顆左右。但在“羲和號(hào)”發(fā)射之前，這些衛(wèi)星大都是在紫外線、伽馬射線、X射線等波段探測太陽活動(dòng)，而“羲和號(hào)”在國際上首次實(shí)現(xiàn)了太陽Hα譜線的空間探測。
我們可以將“羲和號(hào)”的觀測結(jié)果與其他太陽探測設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行分析，從多波段多角度了解太陽爆發(fā)的物理過程，從而對太陽有更全面的了解。這也有利于我們開展空間天氣預(yù)報(bào)和預(yù)警。
記者：“羲和號(hào)”和“夸父一號(hào)”在太陽觀測方面是否有合作？
方成：兩顆衛(wèi)星的合作很密切。我們發(fā)表的太陽觀測相關(guān)論文，很多都結(jié)合了“羲和號(hào)”和其他太陽探測衛(wèi)星從不同波段、不同角度觀測的數(shù)據(jù)，其中也包括“夸父一號(hào)”。
今年3月1日《天體物理學(xué)快報(bào)》雜志發(fā)表的一篇有關(guān)白光耀斑的論文，就是南京大學(xué)和中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)的科研人員使用“羲和號(hào)”和“夸父一號(hào)”的數(shù)據(jù)研究得出的結(jié)論。
白光耀斑可以釋放出很強(qiáng)的能量，對空間天氣產(chǎn)生重要影響。從1859年到“夸父一號(hào)”衛(wèi)星發(fā)射升空之前，僅有300例左右的太陽白光耀斑事件被報(bào)道。然而，“夸父一號(hào)”升空后到2023年12月底，已有120余例白光耀斑被觀測到。
記者：您認(rèn)為“羲和號(hào)”和“夸父一號(hào)”的合作將對我國的太陽探測發(fā)揮什么作用？
方成：“羲和號(hào)”是目前唯一實(shí)現(xiàn)對太陽Hα譜線空間觀測的衛(wèi)星。而“夸父一號(hào)”的3個(gè)載荷、5臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，可以進(jìn)行多個(gè)波段的探測和磁場的高精度觀測。它搭載的萊曼阿爾法太陽望遠(yuǎn)鏡和太陽硬X射線成像儀，可以從紫外線、可見光和X射線波段觀測太陽，這與“羲和號(hào)”的觀測形成互補(bǔ)。
兩顆衛(wèi)星的合作，可以幫助我們了解太陽低層大氣到高層大氣的演化過程，對于研究太陽的結(jié)構(gòu)和爆發(fā)活動(dòng)有重要意義。
計(jì)劃向日地L5點(diǎn)發(fā)射觀測器
記者：目前國際上對于太陽探測的難點(diǎn)、重點(diǎn)是什么？對此我國應(yīng)該如何應(yīng)對？
方成：太陽探測的難點(diǎn)是全波段、多視角、高精度的觀測。今后我們將重點(diǎn)圍繞太陽磁場和多視角的探測開展研究。
對日冕磁場的觀測很重要。日冕內(nèi)不同極性的磁場撞擊在一起后，會(huì)釋放出很多能量，引發(fā)太陽爆發(fā)。但目前國際學(xué)術(shù)界無法直接測量出日冕磁場，只能在觀測太陽低層大氣的磁場后，推測日冕磁場的變化。這其中有一些不確定因素。
磁場需要通過譜線的偏振來觀測。日冕譜線的偏振信號(hào)很弱，很難觀測。此外日冕還有透視效應(yīng)。從地球上觀測到的磁場信號(hào)，其實(shí)是不同高度、不同區(qū)域日冕內(nèi)的磁場疊加在一起的結(jié)果，很難確定觀測到的磁場信號(hào)到底來自哪一點(diǎn)。
記者：未來太陽探測的發(fā)展趨勢是什么，研究團(tuán)隊(duì)將如何應(yīng)對？
方成：從地面或日地連線上觀測太陽，我們看到的所有太陽上的活動(dòng)都是天空背景下的投影。未來太陽探測的發(fā)展重點(diǎn)和趨勢是多角度探測，即從太陽的不同側(cè)面去探測。
我們目前正在進(jìn)行“羲和二號(hào)”的預(yù)研，希望能到距離地球約1.5億公里的日地第五拉格朗日點(diǎn)（日地L5點(diǎn)）探測太陽。日地L5點(diǎn)與太陽和地球的連線呈等邊三角形。把探測器布置在這里，可以研究太陽活動(dòng)的三維結(jié)構(gòu)，精確測量太陽磁場，為揭示太陽爆發(fā)的物理機(jī)制提供關(guān)鍵信息，還能夠提前4—5天觀測到即將影響到地球的太陽活動(dòng)，實(shí)時(shí)追蹤面向地球的太陽爆發(fā)，為空間天氣預(yù)報(bào)帶來革命性突破。但截至目前，在日地L5點(diǎn)上進(jìn)行太陽觀測尚無先例。
我們希望能在太陽活動(dòng)峰年期間的2026—2027年發(fā)射“羲和二號(hào)”。如果趕不上這波，推遲到2030年以后的第26個(gè)太陽活動(dòng)周期也可以。
希望年輕人投入太陽探測事業(yè)
記者：您是出于什么原因開始從事太陽觀測的？當(dāng)時(shí)我國相關(guān)研究的基礎(chǔ)條件如何？
方成：我出生在抗戰(zhàn)時(shí)期。中學(xué)時(shí)，我一直想成為一名飛機(jī)設(shè)計(jì)師。后來因?yàn)闄C(jī)緣不巧，未能如愿。但我的物理、數(shù)學(xué)成績還不錯(cuò)，1955年，我考入南京大學(xué)數(shù)學(xué)天文系天文專業(yè)。
那時(shí)，我國的天文觀測可以說是一窮二白，沒有像樣的觀測設(shè)備。中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)里當(dāng)時(shí)最好的設(shè)備就是從國外買來、剛剛修復(fù)的60厘米口徑望遠(yuǎn)鏡，而美國早在1948年就建成了508厘米口徑的反射望遠(yuǎn)鏡。
在我踏進(jìn)南京大學(xué)時(shí)，在校園里看到了一條橫幅，上面寫著：“立志成為祖國天文事業(yè)的拓荒者！”我覺得自己責(zé)任重大。我們這代人要努力改變我國天文事業(yè)的落后面貌。本科畢業(yè)后，我就留校任教了。
記者：聽說南京大學(xué)歷時(shí)22年建立了中國第一座塔式太陽望遠(yuǎn)鏡，即太陽塔，您是設(shè)計(jì)建設(shè)太陽塔的重要參與者。當(dāng)初您和團(tuán)隊(duì)曾面臨哪些難題，是如何攻克的？
方成：1958年，南大提出建設(shè)太陽塔。但當(dāng)時(shí)在天文觀測設(shè)備研制方面，我們沒有任何可以參考的對象，甚至南大天文系里沒有一個(gè)人見過太陽塔，所以很多人不看好我們。后來項(xiàng)目幾次上馬，又幾次下馬，終于在1973年重新啟動(dòng)。
當(dāng)時(shí)，我是太陽塔研制小組組長。太陽塔的光學(xué)設(shè)計(jì)需要用到計(jì)算機(jī)。那時(shí)計(jì)算機(jī)剛在國內(nèi)出現(xiàn)不久，我和同事需要每天坐兩個(gè)小時(shí)的公交車到距離南京30多公里的大廠鎮(zhèn)，借用那里的計(jì)算機(jī)。我們一邊計(jì)算一邊學(xué)習(xí)，往往一干就是一天，忙得喝水都顧不上，中午簡單吃兩口飯就繼續(xù)開工。最終，太陽塔的光學(xué)設(shè)計(jì)達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用需求。
比設(shè)計(jì)更難的是太陽塔的精密機(jī)械部件加工。太陽塔的部件是單件生產(chǎn)，加工部件的模具只能用一次，成本較高，因此很多工廠都不愿意生產(chǎn)。
時(shí)任南大天文學(xué)系主任戴文賽先生找到當(dāng)時(shí)的江蘇省委書記匯報(bào)。在省委書記的協(xié)調(diào)下，那時(shí)候南京市加工力量最強(qiáng)的5個(gè)工廠完成了太陽塔各個(gè)部件的生產(chǎn)加工。
1980年，太陽塔終于建好，并達(dá)到了當(dāng)時(shí)國際上同類口徑太陽塔的先進(jìn)水平：望遠(yuǎn)鏡空間分辨率達(dá)到1角秒，光譜儀的空間分辨率優(yōu)于2—3角秒，光譜分辨率為14萬。
記者：幾十年過去，我們研制太陽觀測設(shè)備的水平越來越高?！棒撕吞?hào)”的研制過程順利嗎，遇到過哪些難題？
方成：研制衛(wèi)星上的儀器一般要經(jīng)歷三步：做原理樣機(jī)，做初樣機(jī)，正式交付正樣機(jī)、安裝到衛(wèi)星上?！棒撕吞?hào)”從立項(xiàng)到發(fā)射只有兩年左右的時(shí)間，時(shí)間緊、經(jīng)費(fèi)少。我們做完技術(shù)論證后，決定直接做正樣，但這實(shí)在太難了。
最緊急的一次經(jīng)歷發(fā)生在2021年6月。那時(shí)，我們到負(fù)責(zé)研制“羲和號(hào)”載荷的中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所去驗(yàn)收儀器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的曝光時(shí)間太短，只有20微秒左右。這會(huì)影響圖像質(zhì)量，我們希望曝光時(shí)間能延長到5—10毫秒。我們跟長春光機(jī)所提出，一個(gè)月內(nèi)要更換濾光片，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。但到底能不能達(dá)標(biāo)，我們并沒有把握。
長春光機(jī)所的同志們對我們的意見很尊重，一個(gè)月內(nèi)真的做出來了。為了檢測實(shí)際觀測效果，當(dāng)年7月13日，我們把儀器從長春送到南京做檢測。此時(shí)距離發(fā)射只有3個(gè)月了，時(shí)間非常緊張。
不巧的是，那時(shí)正好是南京的梅雨季。13、14日兩天都下雨，無法觀測太陽。到了15日，天終于放晴，我們趕緊把儀器拉出來觀測，發(fā)現(xiàn)指標(biāo)符合我們的設(shè)計(jì)要求，一顆心終于落了地。當(dāng)天晚上，我們立即將儀器運(yùn)送到上海組裝，進(jìn)行電學(xué)穩(wěn)定性等測試。一個(gè)月后，衛(wèi)星各項(xiàng)性能基本穩(wěn)定，并于10月14日按計(jì)劃順利發(fā)射升空。
記者：“羲和號(hào)”的研制，對研究團(tuán)隊(duì)青年人才的成長有什么意義？
方成：1973年我負(fù)責(zé)研制太陽塔的時(shí)候，只是助教。其他幾個(gè)參與研制的教師，平均年齡不超過30歲，但學(xué)校大膽地讓我們嘗試。在“羲和號(hào)”的研制過程中，我們也給青年人提供了一個(gè)施展才能的平臺(tái)，讓他們參與高水平太陽探測設(shè)備的研制。在這個(gè)過程中，他們學(xué)會(huì)了如何在基礎(chǔ)研究中提煉太陽觀測望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)指標(biāo)。也有一些研究生參與了“羲和號(hào)”的數(shù)據(jù)分析軟件研究。這些學(xué)生畢業(yè)后繼續(xù)從事太陽相關(guān)的研究。我希望未來能有更多的年輕人投入到我國的太陽探測事業(yè)中來。
致青年科技人才
一流的天文學(xué)家既要懂天文研究，又要有天文探測設(shè)備的研制經(jīng)驗(yàn)。天文學(xué)是觀測科學(xué)，沒有觀測設(shè)備，研究就無法深入開展。
在研究中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)需要哪些技術(shù)支撐。根據(jù)實(shí)際需要提煉出探測設(shè)備的設(shè)計(jì)指標(biāo)，繼而通過研制探測設(shè)備捕捉到天文信號(hào)，再從天文信號(hào)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，才能提高研究水平，體現(xiàn)研究的原創(chuàng)性。好的科研要做到人無我有。
寫論文固然重要，但如果只是使用別人的觀測數(shù)據(jù)做工作，就不可能超越別人做一流的研究，更談不上領(lǐng)先。中國的太陽探測，一定要獨(dú)立研發(fā)出自己的、有特色的探測設(shè)備。
年輕人需要經(jīng)受各種磨煉。從事天文研究的年輕人要有參與大的天文探測設(shè)備研制的經(jīng)歷。希望年輕人到大風(fēng)大浪里鍛煉自己，不怕苦、不怕累，不要太計(jì)較個(gè)人得失。
——方成
（科技日報(bào)記者 金鳳）
