羲和探日——中国首颗太阳探测卫星
周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏
周三·太空探索|周四·观测指南
周五·深空探索|周六·茶余星话|周日·视频天象
作者：饶世豪
校对：牧夫校对组 涂天宇
后台：李子琦 胡永葳 李鸣晨
责任编辑：毛明远
无垠的太空中，存在着不可胜数的恒星，太阳是其中最特别的一颗。因为其与我们的距离适中，提供了充足但不泛滥的能量，我们才得以生存、生活、开始学会仰望星空，最终开始研究我们赖以生存的太阳系、银河系，乃至整个宇宙。
在我们观察太阳系外的其他恒星时，由于与它们距离太过遥远，我们始终只能看到一个亮点，太阳则不同，我们看到的是一个圆面，用专业一些的话来说，我们是能分辨出太阳上的更小尺度结构的。因此，对于研究其他恒星的天文学家们来说，太阳是一块极佳的跳板，从太阳出发，我们可以试图理解其他恒星的活动，更进一步，可以尝试理解整个宇宙的演化。
数千年来，人们对于太阳的观测从未停止，从汉朝的“日出黄，有黑气，大如钱，居日中央”（黑子）开始，到后来詹森在日全食时观测到日冕中的“氦”，再到现在，对太阳活动已经有数以百计富有想象力的观测工具以及研究方法，Hα谱线就是其中一种方法。
太阳结构
日核是太阳核聚变发生，为整个太阳以至整个太阳系提供能量的区域，再往外依次是：通过辐射传输能量的辐射层和通过对流传输能量的对流层。再往外就是太阳的“大气层”了，我们肉眼在可见光波段看到的是太阳的光球层，光球层上可能存在的小黑点就是大家常说的黑子，再往外是色球层，这就是羲和号搭载的仪器主要想要观测到的大气层次，经过一层极薄的过渡区，就是太阳最高层的大气——日冕，相比日面，日冕十分稀薄，亮度也较低，一般人们只有在日全食的时候，月球遮住了日面大部分的光照，日冕才清晰可见。
在太阳物理这一研究方向上，一个很有趣的点在于，人们可以通过不同谱线看到太阳不同层次的结构。例如，中心波长位于656.92纳米的Fe I谱线，形成于光球层底部往上250km的层次；中心波长位于656.06纳米的Si I谱线，其形成的位置比上述的Fe I线低200km；中心波长为656.28纳米的Hα谱线则更为精妙，它的线心部分形成于色球层，而线翼部分又可反映光球层的活动。
“羲和号”是世界上第一个天基的、可以对太阳的Hα谱线进行光谱扫描的卫星，“羲和号”可以同时得到上述的三条谱线的信息。
牧夫君
通过不同波段的成像观测不同层次的方法，看似很高精尖的技术，实际上，这种方法离我们的生活很近。
举一个很简单的例子，对于提包来说，X射线的穿透能力强于可见光，因此过安检时，仪器在X射线波段上能看到包内部的层次，而肉眼可见光只能看到提包的外层。
1
“羲和号”概况
“羲和号”LOGO
对太阳的Hα谱线，从上世纪的威尔逊山天文台开始，就有持续不断的观测，但它们大都存在一定局限性，它们中一些只能获取到Hα线心部分的单色像，能获得光谱的也存在光谱分辨率低或者视场（平时摄影所说的长焦和广角，分别对应于小视场和大视场）较小的问题。“羲和号”可以在真空中获取太阳全日面的光谱信息，其时间分辨率和光谱分辨率都是之前的卫星无法比拟的。
“羲和号”内部结构与封装展示
(Li et al. 2022)
“羲和号”取名于太阳女神，其设计寿命为三年，在其工作阶段，可以覆盖第25个太阳活动周的上升阶段直到峰值时刻，其于2021年10月14日由长征二号丁运载火箭发射升空，运行在太阳同步轨道上。“羲和号”于2021年10月24日第一次观测太阳（First Light），现在工作状态良好。
2
搭载仪器
“羲和号”搭载的主要科学仪器是Hα成像光谱仪（HIS），HIS主要有两种成像模式：连续谱成像模式（CIM）和光谱扫描模式（RSM）。
连续谱成像模式（CIM）观测到的是波长在668.9纳米附近的太阳辐射，其滤光片能透过的波长范围内，不存在任何太阳谱线的干扰。该模式的成像设备有5120×5120个像素，其像素分辨率为0.52角秒（1度=3600角秒），该模式的可以每秒拍摄一张全日面照片，这些成像数据可以用于检验我国最新研究的卫星平台稳定度。
“羲和号”连续谱成像模式于2021年11月25日观测到的太阳
(Qiu et al. 2022)
光谱扫描模式（RSM）通过移动太阳的像，使得太阳像以均匀的速度经过狭缝，狭缝扫描的每一步，太阳上都仅有一个条形区域的光通过狭缝，再色散（使不同波长处的光散开来）得到光谱信息。该模式下，全日面扫描需要的步数是4625步，沿着狭缝有4608个像素点，色散得到的光谱上有328个采样点，而一次全日面扫描仅需46秒的时间。
“羲和号”Hα窗口，左图为不同波长点处的单色像，右图虚线所在位置即为单色像所取用的波长点，最深吸收线即为Hα谱线
来源：“羲和号”官网
在每个波长点处，RSM的数据都可以拼接出一张全日面的照片，这就等价于，46秒的时间内，该模式可以获取328个不同的波长下的日面照片。该模式的视场还囊括了太阳边界周围的一些区域，因为这些区域内可能会有日珥存在。RSM模式的三个子模式如下图示：
“羲和号”光谱扫描模式的三个子模式
左：全日面扫描；
中：局部区域扫描，即只扫描特定区域；
右：静止观测，即太阳与狭缝的相对位置不变化，仅观测一个切片上的光谱信息。
(Li et al. 2022)
RSM有两个波长窗口：Hα窗口（655.97~656.59纳米）和Fe I窗口（656.78~657.06纳米），总共约0.8纳米波长范围的辐射，被色散到328个波长点上，这是之前的探日卫星从未达到过的，该模式的像素角分辨率同CIM一样，是0.52角秒。RSM获取的光谱如下图所示：
“羲和号”探测到的光谱（黄线）和“标准”太阳光谱（黑线）的比较
(Qiu et al. 2022)
3
一些有趣的科学目标
“羲和号”卫星会助力科学家研究太阳低层大气的动力学问题，同时，若将全日面的光谱叠加在一起，将其当作一个点来看待，即可将太阳看作一个恒星（Sun-as-a-star），为科学家们研究恒星物理领域提供极大的帮助。
“羲和号”的科学目标主要有以下三点：探究太阳暗条的物理性质、研究光球层和色球层的动力学问题、比较太阳和其他恒星的磁活动。
暗条是位于磁极性反转线（正负极径向磁场分界线）上方的一团低温高密度物质，其在Hα线心附近单色像上表现为暗结构，其如何形成与演化、如何触发太阳爆发，是太阳物理领域亟待解决的问题。利用“羲和号”的单色像（取Hα线心附近的波长点），我们得以研究其在二维空间的运动，而再通过谱线测出的多普勒速度、则可得知其在第三个维度（朝向或背离我们）的运动情况。
多普勒效应
上图示意了红移和蓝移的效果，中间的是光学波段光谱，其上黑色的线即为天体上的吸收线（谱线的一种），天体远离我们运动的时候，谱线所在的波长变长，向红端移动，即为红移；天体靠近我们运动的时候，谱线所在的波长变短，向蓝端移动，即为蓝移。
下图展示的是RSM观测到的线心单色像以及由谱线信息计算出的多普勒速度。左上图的暗结构即为光球层上的黑子，右上图的暗结构是暗条，而亮结构为谱斑。下面两张图分别是光球层和色球层的多普勒速度图，蓝色表示蓝移，红色表示红移，可以明显看出太阳的自转信号（一边红另一边蓝），以及在暗条或谱斑区域的复杂速度场。
左上：Fe I线心处单色像
右上：Hα线心处单色像
左下：Fe I线计算得到的全日面多普勒速度图
右下：Hα线计算得到的全日面多普勒速度图
(Qiu et al. 2022)
因为“羲和号”观测的三条谱线分别形成于太阳大气的不同层次上，我们可以获取太阳从光球层底部到光球层中部再到色球层的连续的动力学信息，再加上与其他卫星数据的联合探测，如过渡区成像摄谱仪（IRIS）对过渡区的观测，帕克太阳探针（PSP）对日冕的观测，我们可以更加全面的研究太阳在径向上的动力学过程。
恒星耀斑（Flare）和恒星日冕物质抛射（CME）是近期太阳物理界热门的研究课题，结合“羲和号”对太阳耀斑和太阳CME的研究，我们可以从更多的方面比对类日恒星的这些活动，进而建立起更为完善的恒星磁活动模型。
在这个特殊的纪元，两颗“史诗级”的探日卫星：帕克太阳探针（PSP）、太阳轨道器（SolO）刚发射升空，两颗为太阳物理提供了重要研究数据的卫星：过渡区成像摄谱仪（IRIS）、太阳动力学天文台（SDO）也仍处于良好的工作状态，同时还有我国今年预备发射的先进天基太阳天文台（ASO-S），刚刚建成的Daniel K. Inouye太阳望远镜（DKIST），“羲和号”会利用配合好所有的资源，使我们对太阳——我们小宇宙的中心，有更深入的理解。
参考文献
[1] Li, C., Fang, C., Li, Z., et al. The Chinese Hα Solar Explorer (CHASE) Mission: An overview, 2022, Sci. China-Phys. Mech. Astron., 65, 289602, DOI: 10.1007/s11433-022-1893-3
[2] Qiu, Y., Rao, S. H., Li, C., et al. Calibration procedures for the CHASE/HIS science data, 2022, Sci. China-Phys. Mech. Astron., 65, 289603, DOI: 10.1007/s11433-022-1900-5
[3] Li Chuan, Fang Cheng, Li Zhen, et al. Chinese Hα Solar Explorer (CHASE) – a complementary space mission to the ASO-S, 2019, Res. Astron. Astrophys., 19, 165, DOI: 10.1088/1674–4527/19/11/165
『天文湿刻』 牧夫出品
微信公众号：astronomycn
2022年4月30日“羲和号”在轨拍到的日偏食
谢谢阅读