太陽動(dòng)力學(xué)天文臺（SDO）

□ 夏 寒

太陽動(dòng)力學(xué)天文臺（SDO）

□ 夏 寒

太陽動(dòng)力學(xué)天文臺（美術(shù)圖）

太陽動(dòng)力學(xué)天文臺（Solar Dynamic Observatory，SDO）是美國宇航局（NASA）發(fā)射的一顆天文衛(wèi)星，專門用于觀測太陽。2010年2月11日，美國東部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間上午10點(diǎn)23分，在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空。按規(guī)劃它將在太空中工作5年3個(gè)月。此空間觀測設(shè)備的各個(gè)部件經(jīng)過了嚴(yán)格的檢驗(yàn)，依據(jù)過去的經(jīng)驗(yàn)，很可能工作更長時(shí)間，為此，它攜帶的消耗品可維持正常工作10年。這顆天文衛(wèi)星的主體由美國戈達(dá)德空間中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）研制，它在太空的運(yùn)行也由該中心操控，但是，其攜帶的三組觀測設(shè)備由其他三個(gè)不同單位研制。

從世界范圍看，目前太陽動(dòng)力學(xué)天文臺是功能最強(qiáng)大的空間太陽觀測儀器。它所獲得的太陽圖片除了被天文學(xué)家用做研究外，還常常出現(xiàn)在國內(nèi)外科學(xué)和科普網(wǎng)站、雜志以及影視節(jié)目當(dāng)中，借此，人們可以欣賞太陽的美麗壯觀，了解太陽的活動(dòng)情況，思考太陽活動(dòng)的物理本質(zhì)。

1 太陽與地球息息相關(guān)

最近一百年，人類社會(huì)隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展。人們逐漸發(fā)現(xiàn)，在生活、生產(chǎn)和科學(xué)活動(dòng)各個(gè)方面，太陽對地球和人類有多種影響。早在1859年9月2日，巨大的太陽耀斑使得美英等國的電報(bào)通訊中斷。1989年3月13日，劇烈的太陽耀斑現(xiàn)象造成加拿大魁北克省的供電系統(tǒng)癱瘓，停電達(dá)9個(gè)小時(shí)，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。20世紀(jì)50年代后期，蘇聯(lián)發(fā)射世界上第一顆人造衛(wèi)星，此后，人類的空間探測活動(dòng)迅速增多。太陽活動(dòng)會(huì)損毀人造衛(wèi)星，或者威脅宇航員的身體健康。因此，世界強(qiáng)國都很重視太陽活動(dòng)研究，在20世紀(jì)末，誕生了一門新的學(xué)科“空間天氣學(xué)”。

講到天氣，人們并不陌生，通常所講的天氣是指地球?qū)α鲗觾?nèi)（距離地面約10多千米）的大氣現(xiàn)象，包括云、霧、雨、雪、風(fēng)和氣溫等。而空間天氣是指地球電離層及其外部（50千米以上）、甚至整個(gè)太陽系行星際空間的物理狀況，主要包括太陽風(fēng)粒子和電磁輻射情況。它們是影響人類空間活動(dòng)、甚至造成地面災(zāi)害的主要因素。而高能量的太陽風(fēng)粒子和強(qiáng)烈的電磁輻射來源于太陽活動(dòng)，包括太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射等活動(dòng)現(xiàn)象?？臻g天氣的源頭是太陽活動(dòng)。

圖1 太陽風(fēng)及太陽活動(dòng)影響地球的示意圖

圖2 太陽風(fēng)和日冕物質(zhì)拋射

2 精心策劃有的放矢

為了保證人類空間探測活動(dòng)安全正常地進(jìn)行，減少或避免太陽給人類生產(chǎn)生活帶來的危害。美國航空航天局開展了“同恒星一起生存”（Living With a Star，LWS）的科學(xué)項(xiàng)目。LWS項(xiàng)目的主要目的是為人類提供太陽物理和地球空間物理的相關(guān)知識，使得人們能夠理解哪些太陽活動(dòng)會(huì)影響人類的生活、生產(chǎn)以及科技活動(dòng)，具體的物理機(jī)制是怎樣的，并發(fā)展預(yù)報(bào)不良空間天氣的能力。太陽動(dòng)力學(xué)天文臺（Solar Dynamic Observatory，SDO）是美國航空航天局LWS項(xiàng)目下的第一顆科學(xué)觀測衛(wèi)星。早在2000年7月1日的一次會(huì)議上，他們就為SDO規(guī)劃了初步的項(xiàng)目時(shí)間表。在此后長達(dá)10余年的研制過程中，對觀測設(shè)備、發(fā)射方案以及地面系統(tǒng)不斷進(jìn)行更新和細(xì)化，最終成功發(fā)射。2012年8月30日，美國發(fā)射了LWS項(xiàng)目下名為“范阿倫輻射帶探測（Radiation Belt Storm Probes，RBSP）”的第二顆探測衛(wèi)星。隨后幾年LWS項(xiàng)目的科學(xué)家還將研制另外三個(gè)探測儀器。

20世紀(jì)中后期，人類逐漸明白太陽活動(dòng)與地球息息相關(guān)，從此，太陽磁場與太陽活動(dòng)研究成為天文學(xué)的重要組成部分。太陽物理學(xué)家制造了各種特殊的儀器進(jìn)行觀測，同時(shí)，相對于其他恒星，太陽距離地球非常近，對它的觀測與了解比其他天體要細(xì)致得多。盡管如此，在太陽面前，科學(xué)家還有數(shù)不清的未解謎題。太陽活動(dòng)約11年周期的產(chǎn)生原因是什么？太陽表面局部活動(dòng)區(qū)強(qiáng)磁場是如何形成又是如何消失的？小區(qū)域內(nèi)磁場線重聯(lián)怎樣改變大尺度的磁場結(jié)構(gòu)且它在加熱日冕和加速太陽風(fēng)方面起多大作用？太陽極紫外輻射變化起源于何處？這種紫外變化與太陽活動(dòng)周關(guān)系如何？怎樣的磁場結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致耀斑爆發(fā)、日冕物質(zhì)拋射和暗條爆發(fā)？地球附近太陽風(fēng)的特性是否取決于太陽表面的磁場結(jié)構(gòu)與大氣性質(zhì)？當(dāng)太陽活動(dòng)發(fā)生后我們?nèi)绾螠?zhǔn)確預(yù)報(bào)地球附近的空間天氣？等等，正是帶著這些問題，天文學(xué)家將空間動(dòng)力學(xué)望遠(yuǎn)鏡送上太空。要完全掌握太陽這顆恒星的脾性，避免由它引起的損失，科學(xué)家必須想方設(shè)法對太陽多面出擊。

3 高頻照相偵察太陽大氣的一舉一動(dòng)（AIA設(shè)備）

圖3 “太陽大氣成像裝備（AIA）

太陽物理學(xué)家的科學(xué)目標(biāo)非常明確，為此他們在太陽動(dòng)力學(xué)天文臺（SDO）安裝了三組設(shè)備，其中之一是“太陽大氣成像裝備（Atmospheric Imaging Assembly， AIA）”。此觀測裝備由美國洛克希德·馬丁太陽天體物理實(shí)驗(yàn)室（Lockheed Martin Solar Astrophysics Laboratory） 研制，它是四個(gè)望遠(yuǎn)鏡組成的陣列，每10秒鐘完成一次成像過程，每次成像，天文學(xué)家可以在10種可用波段中選取其中八個(gè)，即每10秒可以獲得8個(gè)高分辨率的太陽大氣圖像，這樣的快速拍攝應(yīng)該不會(huì)漏掉任何太陽變化細(xì)節(jié)。此成像設(shè)備的空間分辨率達(dá)1角秒，在太陽表面對應(yīng)725千米的距離，這相當(dāng)于可以清楚地看到200米之外放置一個(gè)小米粒。

4 日震和磁場觀測探求物理本質(zhì)（HMI儀器）

圖5 日震和磁場成像儀（HMI）

太陽動(dòng)力學(xué)天文臺（SDO）的另一個(gè)觀測設(shè)備為“日震和磁場成像儀（Helioseimic and Magnetic Imager， HMI）”。此觀測儀器由美國斯坦福大學(xué)的天文學(xué)家研制，利用波長6137埃，觀測太陽光球表面的振動(dòng)波和磁場，空間分辨率同AIA一樣，仍為1角秒。太陽光球表面的物質(zhì)并非處于靜止?fàn)顟B(tài)，而是在不停地上下振動(dòng)，稱為日震，HMI通過成像的方式觀測它。地球物理學(xué)家通過測量地震波，可以研究地球的內(nèi)部構(gòu)造；通過超聲波儀器，醫(yī)生可以探測不能被直接看見的人體內(nèi)部臟器；這些方法都利用了波動(dòng)傳播的性質(zhì)，同樣，太陽物理學(xué)家通過日震波，可以研究并了解太陽內(nèi)部的溫度、密度、壓力、化學(xué)成分和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)等物理性質(zhì)。

日震和磁場成像儀（HMI）還可以測量太陽表面的磁場，包括垂直于太陽表面的縱向磁場和平行于表面的橫向磁場。太陽大氣成像裝備（AIA）觀測的各種太陽活動(dòng)現(xiàn)象追根溯源是由于太陽磁場變化造成的。將HMI測量的光球磁場同太陽大氣中的活動(dòng)現(xiàn)象結(jié)合起來，才可以找出太陽活動(dòng)現(xiàn)象的成因，弄清其中的物理機(jī)制，進(jìn)而預(yù)報(bào)它們的發(fā)生。將日震觀測與磁場觀測結(jié)合起來，可以幫助我們理解太陽磁場的起源、活動(dòng)區(qū)局部演化以及整個(gè)太陽磁場約11年周期性變化等難題。

圖6 太陽動(dòng)力學(xué)望遠(yuǎn)鏡的HMI設(shè)備獲得的太陽像

太陽大氣從光球、色球到日冕延伸非常廣大的范圍，不同的區(qū)域具有不同的溫度，不同的溫度往往使得某一元素的特定譜線輻射十分強(qiáng)烈。AIA設(shè)備利用了極紫外波段94～335埃中的七個(gè)特定元素的譜線進(jìn)行成像，另外再加上1600埃和1700埃兩個(gè)紫外譜段波長，還有一個(gè)4500埃的可見光波長，共10個(gè)成像波長?？梢杂^測的區(qū)域包括：太陽光球上層（溫度極小區(qū)域）、色球、色球－日冕過渡區(qū)和日冕等不同層次的太陽大氣，其中有些波長更適合觀察局部活動(dòng)區(qū)的變化。太陽活動(dòng)引起的任何細(xì)微變化都可以被AIA記錄下來，供天文學(xué)家研究。普通天文愛好者則可以通過觀看這些美麗的圖片，了解壯麗的太陽大氣以及它的變化多端。

圖4 太陽動(dòng)力學(xué)望遠(yuǎn)鏡的AIA設(shè)備獲得的9個(gè)波段的太陽像

5 測量極紫外輻射強(qiáng)度尋找太陽的變化規(guī)律（EVE設(shè)備）

太陽除了輻射可見光外，還會(huì)輻射其他人眼不可見的電磁波，比如，紅外波段電磁波和紫外波段電磁波。紫外線波段中波長較短的部分被稱為極紫外輻射，這種輻射會(huì)給人類帶來極大的傷害，假如長期暴露在太陽的極紫外輻射之下，人們會(huì)因此患上皮膚癌等疾病。幸運(yùn)的是，地球周圍有一層厚厚的大氣，它可以吸收掉太陽的極紫外輻射，保護(hù)人類。正是因?yàn)檫@一吸收過程，太陽高能紫外光子加熱地球高層大氣，并使地球高層大氣中的部分原子和分子電離，產(chǎn)生了地球高層大氣的電離層。

在可見光波段觀測太陽，它的亮度非常穩(wěn)定，基本看不出有什么變化?？墒?，如果在極紫外輻射波段觀測太陽，它則呈現(xiàn)出完全不同的面孔。不管是從幾秒鐘或幾分鐘的短時(shí)間段，還是長達(dá)約11年的長時(shí)間段，極紫外輻射強(qiáng)度都在不停地變化著，變化幅度可達(dá)上百至上千倍。太陽極紫外輻射增強(qiáng)時(shí)，它會(huì)加熱地球大氣，使之膨脹，以致給人造衛(wèi)星的運(yùn)行增添阻力；同時(shí)，太陽極紫外輻射的變化，可以改變電離層的電離度，這會(huì)影響無線通訊和全球定位系統(tǒng)（GPS）的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖7 極紫外變化實(shí)驗(yàn)（EVE）

圖8 極紫外變化實(shí)驗(yàn)（EVE）獲得的3天的觀測數(shù)據(jù)

太陽動(dòng)力學(xué)天文臺的第三組觀測設(shè)備，極紫外變化實(shí)驗(yàn)（Extreme Ultraviolet Variability Experiment，EVE）是專門用來測量太陽極紫外波段輻射強(qiáng)度起伏變化的設(shè)備，科學(xué)家們希望通過該設(shè)備的觀測，找出極紫外輻射隨太陽活動(dòng)變化而變化的規(guī)律。此觀測設(shè)備由位于波爾多市的科羅拉多大學(xué)大氣和空間物理實(shí)驗(yàn)室研制。

6 功能強(qiáng)大史無前例

太陽動(dòng)力學(xué)天文臺（SDO）攜帶了三組觀測裝備，各有各的功能。SDO的日震觀測和磁場觀測（HMI）可以透視太陽內(nèi)部，幫助了解太陽活動(dòng)的本質(zhì)。極紫外變化實(shí)驗(yàn)（EVE）則記錄太陽射向地球的極紫外輻射變化。大氣成像裝備利用多個(gè)波長，拍攝太陽大氣的一舉一動(dòng)。SDO從多方面多角度探測太陽，稱得上是獨(dú)一無二的太空觀日利器。它攜帶的成像觀測設(shè)備的空間分辨率達(dá)1角秒，優(yōu)于之前太空中的同樣設(shè)備。SDO配備高速相機(jī)，平均不到一秒鐘就可獲得一張?zhí)枅D片，與之對比，1995年發(fā)射升空的太陽觀測衛(wèi)星SOHO要獲得一個(gè)太陽圖片需要幾分鐘。不僅如此，SDO的相機(jī)可獲得大畫幅高清晰度圖片，比普通高清電視的圖像清晰度高10倍。多組觀測設(shè)備進(jìn)行觀測，可獲得高清晰度的圖片，能夠高頻拍攝太陽，使得SDO每秒累積150M的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量在空間望遠(yuǎn)鏡歷史上前所未有，是之前其他太空觀測設(shè)備的50倍，而且太陽動(dòng)力學(xué)天文臺一天觀測24個(gè)小時(shí)，每周觀測7天，持續(xù)不斷。為此美國宇航局專門在新墨西哥州拉斯克魯塞斯市（Las Cruces）附近專門建立了兩個(gè)18米的射電天線，用于接受SDO的觀測數(shù)據(jù)。

（責(zé)任編輯 蘇晨）