原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2025 年第16 期 《 “羲和號”衛(wèi)星在軌運(yùn)行和研究進(jìn)展 》

基于超高指向精度和超高穩(wěn)定度的新型衛(wèi)星平臺，中國首顆太陽探測科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號”搭載的科學(xué)載荷 Hα 成像光譜儀在國際上首次實(shí)現(xiàn)了太陽 Hα 波段光譜成像的空間觀測，像元光譜分辨率 0.024 ?，全日面掃描時(shí)間 46 s，空間分辨率 1.2＂。本文論述了利用“羲和號”的高質(zhì)量科學(xué)數(shù)據(jù)，國內(nèi)外學(xué)者在太陽活動(dòng)的低層大氣動(dòng)力學(xué)過程，太陽暗條的形成、演化和爆發(fā)，以及太陽和恒星爆發(fā)的比較研究中取得的系列原創(chuàng)科學(xué)成果。

人類對太陽進(jìn)行科學(xué)觀測和研究的歷史可以追溯至1610年，伽利略利用其發(fā)明的天文望遠(yuǎn)鏡對太陽黑子開展常規(guī)觀測。至20世紀(jì)中葉，在長達(dá)幾百年的時(shí)間里，人類對太陽的認(rèn)識主要是基于地面望遠(yuǎn)鏡在可見光波段的觀測。尤其對于太陽Hα譜線的觀測，主要是利用地面望遠(yuǎn)鏡。例如，由全球6個(gè)臺站組成的Global Oscillation Network Group（GONG），主要是利用窄帶濾光器獲得全日面Hα成像。對于大口徑地面望遠(yuǎn)鏡而言，中國的1米新真空太陽望遠(yuǎn)鏡（NVST）和美國1.6米口徑的古迪太陽望遠(yuǎn)鏡（GST），可以獲得太陽局部區(qū)域的Hα高分辨率光譜成像。與地面望遠(yuǎn)鏡相比，太陽空間探測具有以下優(yōu)勢：不受地球大氣湍流和吸收效應(yīng)的影響，不受地球電離層截止和地磁層屏蔽效應(yīng)的影響，可以連續(xù)觀測等，從而為研究太陽活動(dòng)提供最為全面而有效的探測數(shù)據(jù)。自人類進(jìn)入空間時(shí)代以來，國內(nèi)外已發(fā)射70余顆與太陽探測有關(guān)的衛(wèi)星，取得許多開創(chuàng)性的科學(xué)成就，使人類對太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)、太陽大氣動(dòng)力學(xué)、太陽活動(dòng)物理機(jī)制，以及行星際空間環(huán)境、日地關(guān)系有了更為深入的認(rèn)識。可以說，太陽空間探測已成為推動(dòng)太陽物理和空間天氣研究發(fā)展的主要?jiǎng)恿?/strong>。

2021年10月14日，由國家航天局批復(fù)立項(xiàng)的中國首顆太陽探測科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星——“羲和號”發(fā)射成功。“羲和號”衛(wèi)星全稱“太陽Hα光譜探測與雙超平臺科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)”衛(wèi)星，英文名稱為Chinese Hα Solar Explorer（CHASE）。它在國際上首次實(shí)現(xiàn)了太陽Hα光譜成像的空間觀測，科學(xué)目標(biāo)是研究太陽活動(dòng)的大氣動(dòng)力學(xué)過程。習(xí)近平總書記在2022年新年賀詞中及多個(gè)場合高度肯定了“羲和逐日”的重要意義；2022年8月，“羲和號”衛(wèi)星發(fā)布首批成果，創(chuàng)下5個(gè)國際首次；2022年10月，中共中央黨史和文獻(xiàn)研究院將“羲和號”列入《黨的十九大以來大事記》；2023年8月，The Astrophysical Journal Letters發(fā)布“熱點(diǎn)專輯”，集中收錄“羲和號”首批研究成果。這是中國天文觀測設(shè)備首次在該期刊發(fā)表專輯。截至目前，“羲和號”在軌運(yùn)行穩(wěn)定，持續(xù)獲得一批原創(chuàng)性科學(xué)成果。

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“羲和號”及其運(yùn)行情況

“羲和號”由南京大學(xué)、中國航天科技集團(tuán)有限公司第八研究院和中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所等單位聯(lián)合研發(fā)，國家航天局重大專項(xiàng)工程中心為衛(wèi)星工程總體單位。2019年6月，“羲和號”獲得國家航天局批復(fù)立項(xiàng)。2021年10月14日18點(diǎn)51分，“羲和號”搭載長征二號丁遙五十三運(yùn)載火箭（CZ?3DY53），在太原衛(wèi)星發(fā)射中心順利升空，開啟了中國的空間探日時(shí)代。圖1為衛(wèi)星在發(fā)射場的實(shí)拍圖像。

圖1 “羲和號”在發(fā)射前的實(shí)拍圖像

“羲和號”發(fā)射質(zhì)量為508 kg，運(yùn)行于平均高度為517 km的太陽同步軌道，軌道周期約為95 min。衛(wèi)星采用了超高指向精度和超高穩(wěn)定度的“雙超”新型衛(wèi)星平臺，利用磁浮作動(dòng)器將平臺艙和載荷艙物理隔離，阻斷了平臺艙微振動(dòng)對科學(xué)載荷工作的影響，大幅提高了載荷的姿態(tài)控制精度。經(jīng)過在軌實(shí)際測量，衛(wèi)星平臺的指向精度達(dá)到1×10?4（°）、穩(wěn)定度達(dá)到3×10?5（°）/s，較同等慣量衛(wèi)星平臺提高了1~2個(gè)量級。衛(wèi)星的科學(xué)載荷為Hα成像光譜儀，其重量為55 kg，體積為635 mm×556 mm×582 mm。它采用離軸三反前置光學(xué)系統(tǒng)和光柵光譜掃描成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了快速、高精度、全日面光譜掃描成像。

自2021年10月發(fā)射后，經(jīng)過長達(dá)半年多的在軌調(diào)試，2022年8月“羲和號”觀測數(shù)據(jù)的空間分辨率、光譜分辨率和時(shí)間分辨率均達(dá)到最佳狀態(tài)。2022年8月30日，國家航天局發(fā)布“羲和號”探日成果，創(chuàng)下5個(gè)國際首次，包括首次空間太陽Hα波段光譜掃描成像、首次在軌獲取太陽Hα、Si I和Fe I譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)、首次實(shí)現(xiàn)“雙超”衛(wèi)星平臺技術(shù)在軌驗(yàn)證等。截至目前，“羲和號”在軌運(yùn)行穩(wěn)定，預(yù)期將遠(yuǎn)超其3年的設(shè)計(jì)壽命。

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“羲和號”科學(xué)數(shù)據(jù)

“羲和號”的原始數(shù)據(jù)由密云、三亞和喀什臺站接收，經(jīng)由專線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入南京大學(xué)太陽科學(xué)數(shù)據(jù)中心（SSDC?NJU：https://ssdc.nju.edu.cn）進(jìn)行科學(xué)數(shù)據(jù)定標(biāo)。光譜掃描成像的定標(biāo)過程包括暗場去除、譜線彎曲矯正、平場改正、波長定標(biāo)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。定標(biāo)后的1級科學(xué)數(shù)據(jù)向全世界科研工作者和科普愛好者開放共享。

1級科學(xué)數(shù)據(jù)以FITS文件格式進(jìn)行保存，數(shù)據(jù)存儲類型為無符號整型。同一掃描序列數(shù)據(jù)包含Hα和FeI2個(gè)觀測窗口，分別在文件名中以“HA”和“FE”進(jìn)行區(qū)分，如RSM20211024T005149_0001_HA.fits和RSM20211024T005149_0001_FE.fits。2個(gè)文件均為三維數(shù)組，由空間維、波長維和掃描步數(shù)構(gòu)成，一些重要數(shù)據(jù)信息如日心坐標(biāo)、太陽的觀測半徑、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)參數(shù)等可在FITS頭文件中獲取。利用1級科學(xué)數(shù)據(jù)，可以獲得絕對輻射強(qiáng)度、多普勒速度場等更高級別的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。相關(guān)的數(shù)據(jù)查詢、下載、處理和分析方法等均可在南京大學(xué)太陽科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站中獲得。

“羲和號”全日面掃描成像的數(shù)據(jù)質(zhì)量達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，像元光譜分辨率0.024 ?，空間分辨率1.2＂，全日面掃描時(shí)間僅需46 s。通過全日面4600余步掃描，獲得超過1600萬個(gè)點(diǎn)的光譜信息，進(jìn)而得到376個(gè)波長位置的太陽圖像，每個(gè)波長對應(yīng)了光球至色球不同層次的太陽大氣。圖2展示了“羲和號”獲得的全日面Hα線心（6562.81?）圖像（圖2（a））和5個(gè)特征波長位置的活動(dòng)區(qū)圖像（圖2（b）），可以清晰地看出不同波長位置的圖像反映了不同層次的太陽大氣結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于給太陽大氣做了一次深度的CT掃描（計(jì)算機(jī)斷層掃描）。

圖2 全日面Hα線心圖像（a）和5個(gè)特征波長位置的活動(dòng)區(qū)圖像（b）

由于“羲和號”可獲得全日面Hα、Si I和Fe I譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)，因此，可計(jì)算全日面的多普勒速度場。又因?yàn)镾i I和Fe I譜線形成于較低的光球?qū)?，Hα譜線形成于較高的色球?qū)?，因此，可以同時(shí)獲得全日面光球和色球的多普勒速度場，這是以往觀測從未實(shí)現(xiàn)過的。圖3展示了利用Fe I譜線得到的全日面光球速度場，圖3（a）和利用Hα譜線得到的全日面色球速度場，圖3（b），紅色代表遠(yuǎn)離視線方向的運(yùn)動(dòng)，藍(lán)色則相反。從中可以看出太陽的整體性自轉(zhuǎn)以及局部區(qū)域的太陽大氣對流運(yùn)動(dòng)。

圖3 利用Fe I譜線得到的全日面光球速度場（a）和利用Hα譜線得到的全日面色球速度場（b）

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“羲和號”研究進(jìn)展

利用“羲和號”高質(zhì)量的科學(xué)數(shù)據(jù)，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)取得一系列原創(chuàng)性科研成果。截至目前，已發(fā)表研究論文60余篇，包括在The Astrophysical Journal Letters發(fā)表的熱點(diǎn)專輯。這些研究成果涵蓋但不限于“羲和號”最初設(shè)定的科學(xué)目標(biāo)：

（1）太陽活動(dòng)在低層大氣中的動(dòng)力學(xué)；

（2）太陽暗條的形成、演化和爆發(fā)；

（3）太陽爆發(fā)和恒星爆發(fā)的比較研究。

由于篇幅所限，以下?lián)衿湟欢龊喴榻B，其余成果可在南京大學(xué)太陽科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站查閱。

3.1 太陽活動(dòng)在低層大氣中的動(dòng)力學(xué)

“羲和號”全日面、多譜線和高精度的光譜數(shù)據(jù)，十分有利于研究太陽活動(dòng)自光球至色球的動(dòng)力學(xué)過程，進(jìn)而回答諸如白光耀斑等太陽爆發(fā)現(xiàn)象的能量釋放機(jī)制、不同層次太陽大氣的較差自轉(zhuǎn)和物質(zhì)輸運(yùn)等一些重要的科學(xué)問題。

Rao等利用“羲和號”所觀測的全日面Si I（6560.58 ?）、Fe I（6569.21 ?）和Hα（6562.81 ?）譜線，精確刻畫了自光球底部至色球高層的太陽大氣自轉(zhuǎn)三維圖像，結(jié)果如圖4所示，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，并且太陽大氣的自轉(zhuǎn)速度隨著高度有明顯增加的趨勢。進(jìn)一步研究發(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及其與太陽大氣的“磁凍結(jié)”效應(yīng)造成的。與大尺度磁場不同，這些小尺度磁場形成于近表面的速度剪切層，該層次相比于太陽大氣具有更快的自轉(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對太陽大氣的拖曳能力較差。而在色球及更高層的太陽大氣，電離度較高，“磁凍結(jié)”效應(yīng)顯著增強(qiáng)，磁場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Ｔ撗芯繉τ诶斫馓柧值匕l(fā)電機(jī)、太陽大氣中磁能耗散以及太陽風(fēng)的角動(dòng)量損失等有重要參考價(jià)值。

圖4 太陽大氣較差自轉(zhuǎn)的角速度分布圖（a）和不同層次大氣自轉(zhuǎn)的角速度曲線（b）

太陽風(fēng)的起源和加速是太陽物理和空間物理領(lǐng)域仍待解決的重要科學(xué)問題。以往的研究表明，過渡區(qū)和日冕是太陽風(fēng)物質(zhì)的主要來源，然而是否有直接來自色球的物質(zhì)輸運(yùn)？目前仍存在爭議。喻福等利用“羲和號”全日面Hα譜線得到了色球速度場，并細(xì)致分析了冕洞區(qū)域的速度分布，如圖5所示，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)相較于參考區(qū)域，冕洞內(nèi)的速度場傾向于藍(lán)移，并呈現(xiàn)紅不對稱性。這表明有來自色球向上的物質(zhì)流，可成為太陽風(fēng)的物質(zhì)組成，而紅不對稱性則暗示交換磁重聯(lián)的發(fā)生。為了弄清楚該物質(zhì)流是否來自色球網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，后續(xù)還需通過更詳細(xì)的研究進(jìn)一步確認(rèn)。

圖5 太陽多波段觀測及色球多普勒速度場（a）和冕洞區(qū)域及參考區(qū)域的多普勒速度統(tǒng)計(jì)分布（b）

白光耀斑是一類特殊的耀斑，表現(xiàn)為爆發(fā)期間白光連續(xù)譜的突然增強(qiáng)，至今其加熱機(jī)制仍未被徹底闡明。宋得朝等研究了一個(gè)X1.0的太陽耀斑，發(fā)現(xiàn)白光輻射源在Fe I 6569.2 ?線心及其附近連續(xù)譜表現(xiàn)出40%的顯著增強(qiáng)（圖6），與擴(kuò)展歐文斯谷太陽陣列（EOVSA）觀測到的微波足點(diǎn)源在空間上一致，而且白光連續(xù)譜強(qiáng)度隨時(shí)間的變化也與Fermi衛(wèi)星觀測到的硬X射線輻射一致。這些觀測表明，該耀斑的白光連續(xù)譜增強(qiáng)與非熱電子束轟擊低層太陽大氣密切相關(guān)。該研究進(jìn)一步結(jié)合輻射動(dòng)力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)非熱電子束加熱不足以產(chǎn)生該耀斑的白光連續(xù)譜輻射增強(qiáng)，而是需要額外的加熱源，如阿爾芬波加熱等。這個(gè)白光耀斑的發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)白光耀斑的模型和機(jī)制提出了挑戰(zhàn)。

圖6 耀斑期間白光輻射源的Fe I譜線和Hα譜線變化

3.2 太陽暗條的形成、演化和爆發(fā)

太陽暗條（日珥）是懸浮于日冕之中的低溫高密的等離子體物質(zhì)，是日冕物質(zhì)拋射三分量的核心，與磁繩結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此，成為研究耀斑和日冕物質(zhì)拋射之間聯(lián)系的關(guān)鍵。Hα譜線可以說是觀測暗條的最佳波段，尤其是“羲和號”的全日面Hα光譜成像為研究暗條的形成、演化和爆發(fā)提供了絕佳數(shù)據(jù)。

在太陽暗條的形成研究上，“羲和號”可以觀測整個(gè)暗條結(jié)構(gòu)的形成過程，其空間分辨率足以獲得其足點(diǎn)的演化特征，其高精度光譜可以獲得足點(diǎn)處暗條物質(zhì)的速度信息，這為揭示暗條如何形成提供了獨(dú)具特色的觀測數(shù)據(jù)。Li等利用“羲和號”約20 h的Hα光譜成像數(shù)據(jù)，研究了一個(gè)暗條的形成過程，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)該暗條是由2個(gè)“種子”暗條通過暗條通道之間的磁重聯(lián)合并生長而成。在整個(gè)形成過程中，暗條的足點(diǎn)處表現(xiàn)為持續(xù)的紅移，這表明，磁重聯(lián)注入的暗條物質(zhì)冷凝后沿磁場下落的物理過程。

圖7 一個(gè)太陽暗條由2個(gè)“種子”暗條合并而形成的過程

在太陽暗條（日珥）的拋射研究上，以往的成像觀測只能得到其在天空平面內(nèi)的投影速度，無法確定其傳播方向和真實(shí)速度?！棒撕吞枴比彰鍴α波段光譜成像則為該問題的解決提供了絕佳手段。Qiu等利用“云模型”擬合Hα譜線輪廓獲取視線方向速度，同時(shí)使用傅里葉局部相關(guān)跟蹤方法得到天空平面速度，構(gòu)建了爆發(fā)暗條（日珥）的三維速度場，如圖8所示。該研究成功再現(xiàn)了暗條（日珥）拋射過程中等離子體物質(zhì)的膨脹、拋射、回落、旋轉(zhuǎn)和分裂等現(xiàn)象，這為后續(xù)系統(tǒng)性研究太陽暗條（日珥）爆發(fā)的物理機(jī)制，以及空間天氣預(yù)警和預(yù)報(bào)提供了重要參考。

圖8 由Hα光譜成像數(shù)據(jù)反演的日珥拋射的三維速度場

3.3 太陽爆發(fā)和恒星爆發(fā)的比較研究

太陽和恒星爆發(fā)比較研究成為天文學(xué)的熱點(diǎn)領(lǐng)域，研究方式也從簡單的光變分析轉(zhuǎn)向精確的光譜診斷，例如，通過恒星爆發(fā)時(shí)Hα譜線或紫外譜線的不對稱性來分析恒星活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)過程或可能存在的星冕物質(zhì)拋射?！棒撕吞枴比彰鍴α光譜觀測十分有利于此類研究，通過分析不同類型太陽活動(dòng)對全日面或局部區(qū)域Hα積分光譜的影響，并與恒星爆發(fā)時(shí)Hα光譜響應(yīng)進(jìn)行比較，探尋可能的恒星活動(dòng)及其對行星宜居性的影響。如圖9所示，Ma等利用“羲和號”全日面Hα光譜研究了一個(gè)X1.0太陽耀斑的積分光譜特征，其采取的光譜分析方法對于后續(xù)此類研究有重要的參考價(jià)值。

圖9 太陽耀斑的Hα積分光譜特征

除了以上的科學(xué)研究進(jìn)展之外，“羲和號”在空間天氣預(yù)警和預(yù)報(bào)中也發(fā)揮了重要作用。它的實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)已接入中國氣象局國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，以及國家航天局重大專項(xiàng)工程中心正在推進(jìn)建設(shè)的“地球衛(wèi)士”系統(tǒng)，有力地支撐了中國空間天氣預(yù)警和預(yù)報(bào)工作。

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總結(jié)和展望

“羲和號”自發(fā)射以來，在軌運(yùn)行狀態(tài)良好，科學(xué)數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)異。利用“羲和號”的科學(xué)數(shù)據(jù)，國內(nèi)外學(xué)者取得了諸多原創(chuàng)性科研成果，并在中國空間天氣業(yè)務(wù)應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。當(dāng)前，中國已經(jīng)形成“羲和號”和“夸父一號”雙星探日的新格局。此外，中國還發(fā)射了風(fēng)云3E衛(wèi)星上搭載的X射線?極紫外成像儀和空間新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星上搭載的太陽過渡區(qū)成像儀。在進(jìn)入第25個(gè)太陽活動(dòng)周極大期的當(dāng)下，這些空間望遠(yuǎn)鏡和地基觀測設(shè)備的協(xié)同觀測，將有力推動(dòng)中國的太陽物理和空間天氣研究，提升中國在空間科學(xué)領(lǐng)域的國際影響力。

面向未來，中國學(xué)者提出了更加宏偉的“太陽立體探測計(jì)劃”，即除了地球軌道的衛(wèi)星之外，還將在黃道面上的日地L5點(diǎn)或環(huán)日軌道、太陽極區(qū)軌道和太陽抵近軌道等部署太陽探測器，實(shí)現(xiàn)對太陽的全方位立體探測。2024年發(fā)布的《國家空間科學(xué)中長期發(fā)展規(guī)劃（2024—2050年）》也明確了太陽立體探測的發(fā)展路線圖和分階段目標(biāo)，其中至2027年的優(yōu)先發(fā)展方向和任務(wù)規(guī)劃中，“羲和二號”——日地L5太陽探測工程和“夸父二號”——太陽極軌天文臺分別被列為備選的中小型任務(wù)和大型任務(wù)，前者的主要科學(xué)目標(biāo)是太陽爆發(fā)的物理機(jī)制及其空間天氣效應(yīng)，后者則更關(guān)注太陽活動(dòng)周和太陽風(fēng)的起源問題。通過穩(wěn)步持續(xù)推進(jìn)空間太陽探測任務(wù)，中國的太陽科學(xué)研究必將在國際上從跟跑、并跑、走向領(lǐng)跑。

本文作者：李川，方成，丁明德，李臻，邱曄，饒世豪，陳鵬飛，戴煜，程鑫，郭洋，張偉，程衛(wèi)強(qiáng)，尤偉，陸希，陳建新，韓誠山，劉強(qiáng)

作者簡介：李川，南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院、南京大學(xué)深空探測科學(xué)與技術(shù)研究院，教授，研究方向?yàn)樘栁锢砗涂臻g天氣。

文章來 源 ： 李川, 方成, 丁明德, 等. “羲和號”衛(wèi)星在軌運(yùn)行和研究進(jìn)展[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2025, 43(16): 35?42.

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