羲和探日

“羲和号”，中国首颗太阳探测卫星，于2021年10月14日成功发射升空，并顺利进入平均高度517公里的太阳同步轨道，标志着中国进入空间探日时代。我们来聊一聊，这颗划时代的科学技术试验卫星做什么，怎么做，以及一些相关的科技巧思。

“羲和号”的正式全称，是“太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星”。它通过分析光谱的方法，研究和太阳爆发相关的科学问题。

——跑个题，“太阳爆发”不是太阳变成红巨星的世界末日，更不是超新星式的“太阳爆炸”（我们的太阳没有那个贵命），而是体现在太阳大气层的黑子、耀斑、日珥、日冕物质抛射等表层活动。这些太阳活动，读者们在一生中都经历过几十回乃至几百回，不要恐慌。

比如刚刚过去的10月28日，太阳朝向地球一侧爆发了一次X1级耀斑，在太阳大气层中产生了一次等离子体“井喷”。此次耀斑爆发还造成了一次日冕物质抛射，直冲地球而来，并于11月1日抵达地球，为世界各个高磁纬地区带来极光。

回到正题上来，“羲和号”通过分析太阳的Hα波段附近的光谱，来研究太阳爆发时的大气动力学过程和物理机制。

Hα指的氢（H）的最引人注目的（α）那条谱线，它的波长是656.281nm，是颜色深红的可见光。Hα标志着氢原子电子从第三能级到第二能级的跃迁。还不太了解能级跃迁的读者不需要对此感到头痛，只要知道Hα指示氢等离子体的大量存在就可以了。

如果只是一条干净利落的656.281nm谱线，那就是生活单调乏味的氢，也没什么可研究的。而在活跃的太阳表面，由于太阳大气的高速运动，这条谱线就会发生变化。

如何变化呢？老朋友“多普勒效应”登场。我们走在路上，有时会遇到救护车拉着警笛飞驰而过。当它擦身而过时，我们会留意到，它的警笛声忽然降调了，原本唱的“so-mi-so-mi”，忽然变成了“mi-do-mi-do”。这就是多普勒效应：当波源运动时，在其运动方向接收到的波长会变短（频率会升高），在背向其运动方向上，接收到的波长会变长（频率会降低）。

为了形象速记，我们也可以说，“多普勒效应”就是“运动的物体把它前方的波形挤压得更致密，后方拉伸得更稀疏”。

光也是一种波，所以光也会有多普勒效应。那么，为何救护车的音调变化很容易感知，而我们对着红灯冲过去时，却不能把低频的红灯看成高频的绿灯呢？因为声音是一种低速波，和车速量级相差不多，救护车随便跑跑，就能造成人耳可察的频率变化。而光的速度极高，它的波形就不能轻易“挤压”到人眼可辨了。

但是，放到太阳活动这么剧烈的事件中，再加上专业设备，有些事就不那么难了。太阳活动造成的大气起伏能够被“羲和号”携带的光谱分析仪器侦测到。当氢等离子体从太阳表面升起时，它朝向地球扑来，多普勒效应会使光谱升频。如果“羲和号”瞄着这个位置看的话，就会看到Hα谱线右移，比如，跑到了656.30nm。用这个频率差，就可以推算出这一坨物质喷发的速率。反之依然，可以通过谱线的左移量推知物质的沉降速率。

“羲和号”的科学仪器由南京大学负责建设。南京大学说，“羲和号”可以察觉0.0025nm的波长变化。在Hα波段折算一下就是：如果氢等离子体在太阳表面升降的速率大于1.14km/s，它造成的谱线移动就可以被察觉。

当然，太阳是个球体（各位置朝向地球的速度分量有差异），在不停地自转（太阳球面左侧在不停奔向地球，右侧在不断远离地球），并且不同纬度的自转速度还不一样。这些因素都会在最终的运算过程中考虑进去，以免得到荒谬的结果。

为了得到黑子或耀斑的细节数据，“羲和号”可以盯着日面上一个极小的区域看。视野越小，对防震防抖的要求越高。为了让科学仪器可以静下心来工作，“羲和号”使用了磁浮技术，让驱动平台和科学仪器在工作时暂时分离。这样，驱动平台里的机械设备工作时，就不会抖到正在专心看太阳的科学仪器模块了。这也是“羲和号”全名中“双超”的由来：超高指向精度、超高稳定度。

“羲和号”运行在距地517km的太阳同步轨道上。这个轨道穿越南北极，位于晨昏线附近的上空，始终能够看到太阳。为了确保它不会因地球公转而被地球遮蔽，这个轨道以每年逆时针360°（北半球视角）的速度缓缓进动。

“羲和号”选在2021年升空，也是个很好的时机。抛开项目进度的客观事实不谈，这个时间很配合太阳活动周期。假如它在2018年上天，工作3年，这期间正是两个太阳周期之间的低谷，太阳波平如镜，安静如鸡，就不好看了。现在它上去，正赶上太阳活动的爬坡期（预计2025年能到高峰），会收获许多成果。

“羲和号”是中国空间探日计划的先锋官，它填补太阳爆发源区高质量观测数据的空白，提高恒星物理研究能力，对空间科学探测及卫星技术发展有重要意义。