編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“我和我的研究”系列文章，邀請(qǐng)科學(xué)家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學(xué)世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。

?

近日，南京大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)、航天科技集團(tuán)八院的科研人員通過分析“羲和號(hào)”的觀測(cè)數(shù)據(jù)，精確繪制出了國(guó)際首個(gè)太陽大氣自轉(zhuǎn)的三維圖像。

我國(guó)首顆太陽探測(cè)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號(hào)”成功發(fā)射。

（圖片來源：作者提供）

相關(guān)論文以“Height-dependent differential rotation of the solar atmosphere detected by CHASE”為題于2024年6月13日發(fā)表在國(guó)際著名期刊《Nature Astronomy》

“羲和號(hào)”

“羲和號(hào)”全稱是太陽Hα光譜探測(cè)與雙超平臺(tái)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，它有兩重屬性，一個(gè)是太陽科學(xué)觀測(cè)，一個(gè)是衛(wèi)星平臺(tái)試驗(yàn)?？茖W(xué)上，它實(shí)現(xiàn)了國(guó)際首次太陽Hα波段光譜成像的空間觀測(cè)；技術(shù)上，它驗(yàn)證了超高指向精度和超高穩(wěn)定度的新型衛(wèi)星平臺(tái)。

“羲和號(hào)”衛(wèi)星發(fā)射前照片

（圖片來源：作者提供）

“羲和號(hào)”的簡(jiǎn)稱是在衛(wèi)星發(fā)射前通過全國(guó)范圍內(nèi)的征名活動(dòng)獲得的。羲和是太陽女神，也代表了我國(guó)空間探日的開始。

“羲和號(hào)”的論證始于2015年，直到2019年才正式獲得國(guó)家航天局的立項(xiàng)，到2021年10月14日發(fā)射，僅僅2年的研制時(shí)間，非常具有挑戰(zhàn)性。

首先是衛(wèi)星平臺(tái)，它是基于磁浮控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)載荷艙和平臺(tái)艙的隔離，這樣平臺(tái)的震動(dòng)就不會(huì)傳遞到載荷艙，相當(dāng)于給望遠(yuǎn)鏡裝上了一個(gè)穩(wěn)像機(jī)構(gòu)。但這種技術(shù)是國(guó)際首創(chuàng)，研制起來并不容易，而且兩艙脫離之后，需要用激光無線數(shù)傳和無線能源傳輸，也帶了風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，不過以上均已獲得突破。

其次是科學(xué)載荷——Hα成像光譜儀，它是通過狹縫和光柵對(duì)太陽進(jìn)行光譜掃描，并非簡(jiǎn)單地拍照。而且由于衛(wèi)星平臺(tái)的尺寸限制，使得在有限空間內(nèi)完成如此高精度的設(shè)計(jì)和裝配非常困難。

Hα成像光譜儀及光路示意圖

（圖片來源：作者提供）

最后是數(shù)據(jù)定標(biāo)，這是國(guó)際上首次全日面Hα光譜掃描成像，獲得的原始數(shù)據(jù)需要經(jīng)過一系列科學(xué)定標(biāo)過程，比如譜線彎曲改正、平場(chǎng)和暗場(chǎng)處理、輻射強(qiáng)度和波長(zhǎng)定標(biāo)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等等，每一項(xiàng)都需要新的技術(shù)方法。通過以上這些技術(shù)和方法的突破，“羲和號(hào)”獲得了國(guó)際領(lǐng)先的全日面光譜成像。

太陽大氣自轉(zhuǎn)三維圖像

太陽的結(jié)構(gòu)從里到外可分為核心區(qū)、輻射區(qū)、對(duì)流區(qū)和大氣層。

經(jīng)過幾十年的探測(cè)，科學(xué)家基本確立了有關(guān)太陽自轉(zhuǎn)的兩個(gè)重要規(guī)律：一是從輻射區(qū)到對(duì)流區(qū)的過渡區(qū)域（約0.7個(gè)太陽半徑處），自轉(zhuǎn)速度存在明顯變化，這種剪切運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致磁場(chǎng)的產(chǎn)生，即為太陽發(fā)電機(jī)；二是自轉(zhuǎn)速度從赤道向兩極區(qū)域逐漸遞減，這種變化導(dǎo)致太陽磁場(chǎng)從極向場(chǎng)到環(huán)向場(chǎng)的轉(zhuǎn)換。

太陽活動(dòng)11年的周期性變化本質(zhì)上是太陽發(fā)電機(jī)和較差自轉(zhuǎn)相互作用的結(jié)果。然而，對(duì)于太陽表面的大氣層，它的自轉(zhuǎn)速度的變化規(guī)律，特別是隨高度是如何變化的，至今沒有確切定論。

?“羲和號(hào)”全日面光譜掃描成像

（圖片來源：作者提供）

“羲和號(hào)”實(shí)現(xiàn)了國(guó)際首次太陽Hα波段光譜成像的空間觀測(cè)，它可以在46秒內(nèi)掃描全日面，獲得日面上任何一個(gè)點(diǎn)的光譜信息，它的光譜分辨率達(dá)到0.0024 nm/pixel。它可以同時(shí)獲取多條譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)，包括Si I（6560.58 ?）、Fe I（6569.21 ?）和Hα（6562.81 ?）譜線。

這些譜線形成在太陽大氣從較低的光球?qū)拥撞恐凛^高的色球高層的不同層次。利用這些譜線的高精度觀測(cè)，再運(yùn)用譜線形成的反演方法，可以精確推導(dǎo)太陽大氣不同層次的多普勒速度場(chǎng)。有了這些速度場(chǎng)，我們就可以構(gòu)建太陽大氣較差自轉(zhuǎn)的三維圖像。

分析圖像發(fā)現(xiàn)，太陽大氣的自轉(zhuǎn)速度隨著高度有明顯增加的趨勢(shì)，這與直觀認(rèn)識(shí)相悖，因?yàn)槿绻邔哟髿獾霓D(zhuǎn)動(dòng)是由低層大氣的粘滯效應(yīng)帶動(dòng)的，那么自轉(zhuǎn)速度應(yīng)該隨高度而逐漸降低。

?

太陽大氣由光球?qū)拥撞康缴驅(qū)硬煌叨忍幍亩嗥绽账俣葓D，太陽自轉(zhuǎn)速度自赤道向極區(qū)逐漸降低的規(guī)律在太陽大氣各個(gè)層次都存在。

（圖片來源：作者提供）

太陽大氣自轉(zhuǎn)速度隨高度和緯度的分布，太陽大氣的自轉(zhuǎn)速度隨著高度有明顯增加的趨勢(shì)。

（圖片來源：作者提供）

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，這種反常的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象是由無處不在的小尺度磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其與太陽大氣的“磁凍結(jié)”效應(yīng)造成的。

與大尺度磁場(chǎng)不同，這些小尺度磁場(chǎng)形成于近表面的速度剪切層（0.95–1個(gè)太陽半徑處），該層次相比于太陽大氣具有較快的自轉(zhuǎn)速度。

由于光球?qū)与婋x度較低，密度較高，“磁凍結(jié)”效應(yīng)不明顯，因而這些小尺度磁場(chǎng)對(duì)太陽大氣的拖曳能力較差；而在色球?qū)蛹案邔拥奶柎髿猓婋x度較高，“磁凍結(jié)”效應(yīng)顯著增強(qiáng)，磁場(chǎng)得以更高效地拖拽太陽大氣，使這些層次的自轉(zhuǎn)速度明顯快于光球?qū)印?/span>

太陽色球多普勒速度場(chǎng)與視向磁場(chǎng)分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系，二者具有很好的相關(guān)性，驗(yàn)證了小尺度磁場(chǎng)與色球大氣存在強(qiáng)凍結(jié)效應(yīng)。

（圖片來源：作者提供）

以往對(duì)太陽大氣自轉(zhuǎn)的研究，往往是基于成像觀測(cè)，比如跟蹤日面上不同緯度的黑子來得到光球的自轉(zhuǎn)速度，但是黑子在演化，因此跟蹤的精度不會(huì)太高，對(duì)于更高層的太陽大氣比如色球和日冕，更加難以確定。

而現(xiàn)在可以通過譜線的多普勒頻移，計(jì)算不同高度太陽大氣的速度場(chǎng)，由此，刻畫出太陽大氣自轉(zhuǎn)的三維圖像。

該項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)對(duì)理解太陽發(fā)電機(jī)、太陽大氣加熱、太陽自轉(zhuǎn)的長(zhǎng)期變化帶來重要的觀測(cè)證據(jù)。

小尺度磁場(chǎng)很可能產(chǎn)生于對(duì)流區(qū)的較淺層次，不同于大尺度磁場(chǎng)（如太陽黑子）產(chǎn)生于對(duì)流區(qū)的底部，因此一個(gè)完整的發(fā)電機(jī)模型必須包含足夠大的深度范圍，才能全面解釋不同尺度的磁場(chǎng)分布。

不同高度存在不同程度的磁凍結(jié)效應(yīng)，意味著離子與中性粒子的相互作用也不同，太陽大氣的加熱模型需要考慮這個(gè)因素。

太陽風(fēng)示意圖

（圖片來源：veer圖庫）

太陽高層大氣的較快的自轉(zhuǎn)速度，意味著太陽風(fēng)損失的角動(dòng)量不可小視，這對(duì)太陽自轉(zhuǎn)起到了“制動(dòng)”作用，因此隨著年齡增大太陽自轉(zhuǎn)會(huì)逐漸減慢。

太陽自其形成之日起，就處于不停地轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，一旦停止轉(zhuǎn)動(dòng)，其壽命也將終結(jié)。太陽自轉(zhuǎn)速度的減少是由于角動(dòng)量損失造成的，而角動(dòng)量損失的多少取決于三個(gè)物理量：太陽風(fēng)的速度、太陽阿爾芬半徑的大小和太陽大氣自轉(zhuǎn)速度。此次發(fā)現(xiàn)，太陽大氣自轉(zhuǎn)速度在高層大氣上更快，表明角動(dòng)量損失比預(yù)期的要大，因此，太陽自轉(zhuǎn)速度減慢的可能更快。

未來應(yīng)用

太陽爆發(fā)是空間天氣的源頭?！棒撕吞?hào)”持續(xù)開展太陽活動(dòng)的監(jiān)測(cè)，為空間天氣預(yù)警預(yù)報(bào)提供了完全自主的數(shù)據(jù)。目前，“羲和號(hào)”的數(shù)據(jù)已經(jīng)接入國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)級(jí)應(yīng)用。比如，2024年5月份，太陽持續(xù)爆發(fā)產(chǎn)生了一系列空間天氣事件，尤其是引發(fā)了近20年來最強(qiáng)的一次地磁暴，造成全球范圍內(nèi)的極光現(xiàn)象，也造成一些災(zāi)害性空間天氣效應(yīng)?！棒撕吞?hào)”對(duì)這一系列太陽爆發(fā)都有很好的監(jiān)測(cè)。

目前，太陽活動(dòng)已經(jīng)開始進(jìn)入極大期，“羲和號(hào)”在軌運(yùn)行狀態(tài)良好，將持續(xù)產(chǎn)出一系列科學(xué)成果。尤其在太陽爆發(fā)的物理機(jī)制、太陽大氣物質(zhì)和能量的輸運(yùn)過程、類太陽恒星爆發(fā)的研究等方面，取得原創(chuàng)性成果。

面向未來，我們進(jìn)一步提出了“羲和二號(hào)”——日地L5太陽探測(cè)工程，目前正在積極推進(jìn)中。它將是人類首次發(fā)射一顆探測(cè)器至日地L5點(diǎn)，探索太陽系未知疆域，開啟我國(guó)太陽立體探測(cè)的時(shí)代。除了“羲和二號(hào)”之外，我國(guó)太陽探測(cè)計(jì)劃還包括“夸父二號(hào)”——太陽極軌天文臺(tái)、太陽抵近探測(cè)任務(wù)等。這些計(jì)劃的布局和實(shí)施，將使人類對(duì)太陽這顆地球的母星探索更廣、認(rèn)識(shí)更深。