1. 新经济沸点首页
  2. 新经济·大公司

“羲和号”并不高深,科学家用三个关键词解读

探索星辰大海,需要青少年这支后备军。

文|郭娟

羲和是我国上古神话中的”太阳之母”,她有十个太阳儿子,每日只带一个出来“工作”:羲和驭着龙车,从汤谷出发,途径16个站,到达蒙谷,日复一日,形成了大地的早晚晦明,年复一年,人间从此有了温暖。

这个美丽的神话形象,被用来命名我国“首颗太阳探测科学技术试验卫星”——“羲和号”。在去年10月14日发射成功后近一年时间,“羲和号”一直按照严格的活动轨迹替我们“御日”,截至今年8月30日,这颗人造卫星累计下传原始观察数据50Tbit,生成科学数据300Tbit。

2022年8月30日,在“羲和号”第一次成果发布会上,国家航天局副局长吴艳华总结,“羲和号”创下了“五个国际首次”。

9月19日,在腾讯青少年科学小会现场,国家高分辨率对地观测系统总设计师兼副总指挥及国家航天局对地观测与数据中心主任赵坚向小观众们讲述“羲和”探日工程时,用三个“关键词”解密了这五个“首次”。他说,“羲和号”创下五个国际“首次”,是件很了不起的事,因为它标志着我国正式步入空间“探日”时代。

羲和号的“破”与“立”

太阳被誉为“魔鬼星球”,由于内部一直在进行的剧烈核聚变运动,它每秒创造的能源比人类社会创造的能源总量还要多。

太阳给地球带来温度和能量的同时,也时时“生产”着威胁。1859年,一场历史上最大的“太阳超级风暴”猝不及防地造访地球,给人类造成的损失约在2万亿美元;1989年3月,加拿大魁北克省因太阳风暴停电12小时,超过600万人受到影响。

即便在科技高度发达的今天,人类为了避免来自太阳的伤害,最佳手段也仍是预测,通过“看守”太阳的卫星检测到异常,让人类有20个小时的时间来准备应对。自20世纪60年代以来,航天技术飞速发展,全球已发射了70多颗太阳观测卫星,聚焦在太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射等的观测和研究。

“羲和号”代表我国观测太阳,它是我国国家航天局于2019年6月批复立项,并在2021年10月14日,由CZ-2D Y53运载火箭在太原卫星发射中心成功发射入轨。运行于平均高度为517公里的太阳同步轨道,主要科学载荷为太阳Hα成像光谱仪。

赵坚解密“羲和号”,第一个关键词是“双超”。“双超”指超高指向精度和超高稳定度。这两个指标决定了卫星所携带的探测载荷在工作时获取数据的准确性和科学性。赵坚透露,“羲和号”指向精度达到了万分之三度,姿态稳定度达到了十万分之6.3度每秒,这两个指标较同等惯量卫星提高了1~2个数量级,达到国际先进水平。

“通俗来讲,就是‘羲和’这位摄影大师,不仅指的准,而且拍的稳。”赵坚在演讲中解释,“准”是用“指向精度万分之三度”来衡量,“地球赤道有4万公里长,在赤道上划过万分之三度,长度大概是33米”;谈及“稳”,赵坚先用我们平时拍照做比较,“因为手抖或者支架不稳定,拍出模糊的效果”。“羲和号”采用类似“磁悬浮”的独门绝技,达到了超高稳定度,它在探测过程中可以做到纹丝不动、目不转睛。

第二个关键词为“太阳测速导航仪”。卫星在太空中飞行,同样需要定位导航服务,以准确地获取自身的位置和速度。早期,科学家们使用惯性导航来指引卫星,但它容易产生漂移,积累误差大;后来又改进为导航卫星,但卫星导航的威力范围只局限在“地球附近”,到了太空就无能为力;而“羲和号”上安装的原子鉴频太阳测速导航仪,为国际首次,赵坚透露,她的定位“精度可达每秒2米”。

第三个关键词是“光谱成像仪”。“羲和号”实现了国际首次在轨对太阳Hα波段光谱扫描成像。太阳光谱中的Hα波段谱线是太阳爆发时响应最强的色球谱线,能够直接反映爆发的源区特征。此前,世界上其它国家都没能做到用Hα波段扫描成像,直到“羲和号”出现。

据了解,装载Hα成像光谱仪的“羲和号”可以较好地通过两种方式观测太阳:白光连续谱成像和光谱扫描成像。在白光连续谱成像模式下,可以获得全日面像,如同人们按下快门拍照一样简单。在光谱扫描成像模式下,“羲和号”搭载的Hα成像光谱仪通过对太阳全日面扫描,历时46秒即可获得4600多条光谱,每条光谱都可以被复原成一张日面像,正如他在小会上做的比喻:“仿佛给太阳做CT”。

通过对Hα光谱数据的分析,可以从光球层到色球层,获取太阳低层大气的信息,从而推演太阳爆发时的大气温度、速度等物理量的变化,研究太阳爆发的动力学过程和物理机制。

羲和号卫星的硕果,标志着我国正式步入“自主探日”时代。

从“奔月”“探火”到“探日”

“自主探日”,意味着我们获得了空间数据的自主权。

以前,我国空间的天气预报数据来源主要依赖国外,这样容易造成数据延迟,真实性也难以保证。“羲和号”上天后,我们自主掌控了这些数据,不再受人掣肘。另外,近年来,国际太阳探测领域发展迅猛,我国在该领域发表论文的数量已居世界第二位,但之前的科研成果中,引用的数据均来自国外,“羲和号”的出现,将彻底扭转这一局面。

我国已经向全世界开放共享“羲和号”数据,赵坚在演讲中透露,可“通过南京大学太阳科学数据中心查询和下载”,据国际在线报道,“羲和号”的科学数据得到了美国、法国、德国等太阳物理研究学者的广泛应用。

“羲和号”在太空中“监视”太阳,尽可能保证我们在地球生产生活的安全,而我们生活的地球也正在被七颗高分卫星“密切”关注着。

作为“高分”专项工程总师,赵坚在科学小会现场演讲中,向青少年抛出的第一个问题是:什么是“高分”?“就是时时观测着地球的一双眼睛。”正如手机分辨率越高拍照越清晰一样,“高分”7型卫星在太空为地球拍摄照片已经实现“亚米级”,它不光分辨率高,还实现了高时效性、高光谱分辨率、高定位精度,时间达到秒级,光谱有几百个谱段,定位精度也达米级。

今年2月,北京冬奥会开幕式上,就展示过用“高分二号”卫星成像的比赛场馆俯瞰图,从太空的视角“探班”冬奥赛场,体现科技奥运的精神。

高分二号的“大哥”——“高分一号”卫星于2013年4月26日发射入轨,已为我国国土资源部门、农业部门、气象部门、环境保护部门提供高精度、宽范围的空间观测服务,例如公安部就曾利用高分一号的数据,在黑龙江、内蒙古、河北等地发现了多处罂粟种植区,2013年7月,甘肃岷县发生地震后,高分一号获取数据后,为灾区评价次生灾害检测工作作出科学引导。

我国“设计”的这套高分辨率对地观测系统,包含的七颗卫星及相应的观测平台,覆盖了从全色、多光谱到高光谱,从光学到雷达,从太阳同步轨道到地球同步轨道等多种类型,构建了一个具有高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率能力的对地观测系统。

“无论是观测地球,还是探测太阳,这都只是空间科学的一些领域”,赵坚说道,那什么是空间科学?“主要是利用航天器研究发生在日地空间、行星际空间及至整个宇宙空间的物理、天文、化学及生命等自然现象及其规律的科学。”

从这个角度看,我国借助航天器“研究”月球和火星的空间科学也达到了领先水平。对月球的观察,以2004年实施“嫦娥工程”为标志,最新成果是“嫦娥五号”采集的月壤研究。这颗月球探测器于2020年12月着陆于月球,随后对着陆点附近的月表物质进行了采样、并成功将1371克月壤样品带回地球。

近日,中国科学院地球化学研究所科研团队研究发现,嫦娥五号带回的月壤中存在大量的太阳风成因水,这一成果在国际学术期刊《自然·通讯》发表。此前,遥感探测已发现月表普遍存在水,由于缺乏直接的样品分析证据,月表水的成因和分布一直存在争议。中科院的这一研究发现,为研究月表中纬度地区水的分布提供了重要参考。

探索火星的航天器也在近年取得突破性进展,2020年7月,“天问一号火星探测器”在海南文昌发射成功,这是我国对于火星的首次探测任务,“天问一号”历时7个月,飞行7.5亿公里,于2021年5月在火星着陆。

尽管是探索火星的第一步,但迈出的步伐却意义非常重大,“天问一号”成为继美国以后第二个探测器正式登陆火星,并持续传回清晰图片的国家,可谓打破了美国在“登陆火星”上的技术垄断地位。

仰望星空,还需从娃娃抓起

“火星上的落日,不是红彤彤的,而是淡蓝色的,火星上也有月亮,不过有点小,它不可能把太阳遮住,形成不了地球上的月全食。火星上有独特的火卫一凌日,几十秒钟过去也很壮观。”月球及火星探测器副总设计贾阳,给孩子们描述火星的落日和天象,“探索火星的意义,在于为人类增加一个视角,从这个视角看火星、看地球、看太阳系,看整个宇宙,也审视人类自身”。

“我们为什么要探测研究‘暗物质’”?中科院国家天文台台长常进在现场回答了这个问题:中国要真正成为世界大国,为人类共同的梦想做出贡献,在前沿科学领域不能缺席。他告诉孩子们,到今天为止,“悟空”科学卫星已经巡天13次,探测高能粒子数量高达135亿次,它的7万多个传感器仍处于近乎完美的状态。它是怎么做到的呢?“很简单,也很不容易,那就是脚踏实地的做好每一件小事”。

中科院上海天文台台长沈志强、中科院粒子天体物理重点实验室主任及高能物理研究所研究员张双南也分别向小观众们科普了黑洞、慧眼卫星等宇宙物质及前沿探测手段,从基础知识到最新进展,可谓是一个国家顶级的“宇宙天团”在向青少年做科普。

这样的豪华阵容,背后是青少年航天科普的重要意义。

与美国、俄罗斯(含苏联时期)、日本、欧洲等国家相比,我国深空探测领域虽然起步晚,但是起点高,例如早在上世纪60年代,美苏已经实现人类登月计划,直到2004年,我国的“嫦娥工程”才开始实施,成功率却达到100%;“天问一号”也成为世界第二个着陆火星的卫星,第一个着陆火星的卫星是1997年美国的“探路者号”……

在系列阶段性的成就面前,我国对深空探测也有了相对明确的规划:2030年前的小行星探测计划,因为小行星被称为太阳系起源的“活化石”,一旦成功科研价值重大;2025年至2030年,科学家们还规划了木星系探测及行星穿越计划,按照这份时间表,我国将于2036年到达木星;2030年之后,还有更精细、更深远的机器人深空探测有望展开,并在2048年左右实现到达天王星。

这些看似遥远的星辰大海,是一个国家未来综合国力的象征,也代表着人类的共同命运,它需要持续投入大量的人力物力和财力,而当今的青少年群体就是这项事业的“后备军”。在“仰望星空”这件事上,给青少年埋下一粒好奇心的种子,或许以后就能长成一棵参天大树。2020年11月16日,国家领导人在科学家座谈会上指出,“好奇心是人的天性,对科学兴趣的引导和培养要从娃娃抓起,使他们更多了解科学知识,掌握科学方法,形成一大批具备科学家潜质的青少年群体。”

要让青少年科普更有趣更优质,还需要社会各界形成合力,营造良好的崇尚科学的氛围,健全完善科学教育的体制机制。到2022年,腾讯科学小会已经做到第四届,通过顶尖科学家阵容、定制化趣味内容、平台和创意能力,吸引了4000多万青少年通过线上线下的方式聆听科学家分享。

科学小会更像连接器,一边是公众及青少年,一边是科学家资源、优质内容的整合,让更多青少年有科学探索的意识,种下一颗科学种子。正如腾讯青年发展委员会副主席李航在小会开场时所说:“人类科学史,是科学发展的历史,也是科学前辈与后辈薪火传承的历史。其实放眼全球,有许多科学家都在青少年时期被前辈科学家们启发过。我们希望,今天大家与科学家们的相遇,能为你种下一粒种子,未来在人生中绽放出绚烂的花朵”。

(本文首发钛媒体APP

原创文章,作者:新经济沸点·原创,如若转载,请注明出处:https://www.efeidian.com/?p=9075

本网站优质内容同步到36氪、钛媒体、创业邦、新浪看点、新浪微博、虎嗅、第一财经、南财号、微信公众平台、和讯网、支付宝APP、一点资讯、今日头条、百家号、搜狐科技、凤凰科技、网易科技、企鹅号、商业新知、新知百略网等平台。 投稿、内容合作、商务合作等,请发邮件:hemu2008@163.com

发表评论

登录后才能评论