“夸父一号”——中国太阳研究新利器

一年多前，中国首颗综合性太阳探测卫星“先进天基太阳天文台”（中文昵称“夸父一号”）发射升空。现在， “夸父一号”在轨测试已经完成，所有仪器均处于稳定运行状态。

9月25日，中国科学院举行了卫星在轨交付仪式， “夸父一号”被正式交付给中国科学院紫金山天文台使用。它将在当前太阳活动周期的高峰阶段进行探测，有望获得一系列成果。“夸父一号”首席科学家甘为群说，部分早期结果即将面世。

太阳研究——中国“姗姗来迟”

甘为群介绍说，太阳物理学一直是中国天文学研究的一个主要分支。

早在2010年，中国就已经是全球发表太阳物理学论文最多的国家之一，仅次于美国。然而这些论文中使用的空间观测数据几乎全部来自于美国、欧洲或日本开发的探测器。在很长一段时间里，中国研究者都试图自主建造太阳空间探测器，但迟迟没能付诸实践。

20世纪70年代中期以来，人们提出了许多不同的想法，但只有一个最终发射入轨：2001年搭载于 “神舟二号”飞船的“太阳和宇宙天体高能辐射监测仪” 。该监测仪包含三个高能辐射探测器，在六个月的太空运行中探测了多个太阳耀斑过程中的X射线和伽马射线。

2011年， “夸父一号”预研阶段开始。此时，世界范围内已有近70台太阳探测器发射升空。中国太阳研究者面临的一项关键任务是，要拿出技术上可行、科学上独特的东西来。六年后，“夸父一号”终于正式工程立项。此时，研究者已经确定了这台探测器的科学目标“一磁两暴”：同时监测太阳上两种最剧烈的活动——太阳耀斑和日冕物质抛射——以及驱动这两种活动的磁场变化。研究者希望可以更好地了解这三者之间的联系，从而理解它们究竟是如何引发太阳风暴，并影响地球上的卫星服务和电网运行的。

为实现这一目标，重达857千克的“夸父一号”配备了三台仪器：硬X射线成像仪（HXI）、莱曼阿尔法太阳望远镜（LST）和全日面矢量磁像仪（FMG），分别用于观测太阳耀斑、日冕物质抛射和太阳磁场。

在轨一年

2022年10月9日， “夸父一号”在酒泉卫星发射中心发射升空，中国几代太阳研究者终于梦想成真。

科学卫星发射入轨后，需要经过一系列的测试、调整和标定，以提高成像质量。这一过程往往受到环境因素和仪器本身的影响。

过去一年，甘为群团队专注于“夸父一号”的在轨测试，将三台仪器的成像质量与设计性能进行对比。甘为群说，最大的惊喜来自硬X射线成像仪（HXI）。这台仪器设计在30-200 keV能量范围内进行间接成像，用于研究电子是如何在太阳耀斑中加速的。这台仪器是甘为群团队第一次研制，而且仪器造好后在地面无法进行成像实验，到了天上能不能按预期的成出像来，当时并没有100%的把握。

2022年10月18日HXI在轨开机，但没能观测到足够强的耀斑硬X射线，直到三个星期之后才观测到第一例耀斑，当天下午就通过算法获得了符合预期的图像。大家心中的石头终于落地。这意味着HXI的硬件性能和软件算法都是过硬的。

到今年10月，HXI已经观测到300多个太阳耀斑，其图像质量远超预期。甘为群称，它可以在15-300 keV的更宽的能量范围内进行探测，与NASA的拉马第高能太阳光谱成像探测器（RHESSI）相比，它可以呈现出耀斑的更多结构细节。基于HXI图像的科学研究已全面展开。中国研究者也在与瑞士西北应用科技大学开展合作，该团队将结合“夸父一号”与欧空局太阳轨道探测器上硬X射线成像仪的数据，进行立体探测综合研究。

“夸父一号”上的另一个载荷，莱曼阿尔法太阳望远镜（LST）的设计目的是以高时空分辨率在莱曼阿尔法和可见光波段拍摄太阳及其内日冕的图像。LST的在轨表现尚未完全达到预期。甘为群团队正花费大量时间和精力来分析原因并寻求弥补手段。

意大利佛罗伦萨大学的Marco Romoli说，与太阳轨道飞行器（Solar Orbiter）上的日冕仪METIS以及此前的所有日冕仪相比，LST具有两种新颖的能力。首先，作为一台内置的日冕观测仪，LST是第一台可以观测日冕中氢产生的紫外线的仪器；其次，它可以观测到低于1.7个太阳半径的日冕。

尽管尚未达到预期，LST还是取得了不少亮眼的观测结果。Romoli的团队也正在LST第一批成果中发挥作用。

LST观测到的日珥

对于全日面矢量磁像仪（FMG），研究者也花费了许多精力来缩小仪器表现与设计预期的差异。FMG希望在高空间和时间分辨率下，对整个日面的磁场进行观测。甘为群说：“我们已经证明，可以在损失一定时间分辨率的情况下，实现原定的设计指标。”

“夸父一号”的首批研究成果，包括卫星的在轨测试表现，将以专刊的形式于明年发表在太阳物理学领域知名期刊Solar Physics上。

第25个太阳周期

人类对宇宙的观测已经延伸到了130亿光年之外，但太阳仍然是我们可以详细研究的唯一一颗恒星。关于太阳，许多基本问题仍然没有答案。例如，太阳爆发活动被认为是由太阳磁场驱动的。然而什么样的磁场会触发耀斑或/和日冕物质抛射？磁场的形状和结构如何决定爆发的强度？如果可以解开这些谜团，我们将只需要监测太阳磁场，就可以预报空间天气。

Romoli说，在当前的第25个太阳活动周期中，史上第一次，有许多空间和地面观测站在从不同角度观测太阳。在地面上，位于夏威夷、直径4米的丹尼尔·井上健太阳望远镜（DKIST）正全面投入使用。在太空中，地球附近有NASA的太阳动力学天文台（SDO）和ESA-NASA太阳与日光层观测台探测器（SOHO），后者于1995年发射，目前仍在部分运行。当然还有不得不提的、飞行于太阳轨道上、近距离观测太阳的最新旗舰任务：NASA的帕克太阳探测器。它将在距离太阳仅10个太阳半径上的位置测量太阳风和高能粒子。而ESA的太阳轨道飞行器（Solar Orbiter）是目前围绕太阳运行的最全面的观测设施。

“夸父一号”的设计寿命为4年。“在轨工作时间当然越长越好，至少覆盖一个太阳活动周期，最好是两个周期。

对于中国的下一颗太阳探测卫星，甘为群希望它将是国际领先的。目前正在推进的太阳极轨探测计划和L5探测计划都是“夸父2号”或中国下一代太阳探测卫星的候选者，它们最大的特点是将要探索之前的卫星没有去过的地方。研究者还提出了一些创新的技术方案，比如“编队飞行太阳高能成像探测计划”希望利用前后两颗卫星构成超长焦距，以获得前所未有的高空间分辨率太阳高能成像。然而正如甘为群所说：“最后选择上哪个项目，还有很长的一段路要走。”

参考文献

【NSR News Report文章“Space Telescope Set to Open a New Chapter in China's Solar Research”的中文版本：https://doi.org/10.1093/nsr/nwad289】