李川 擦亮中國(guó)的“觀日之眼”

華南

太陽(yáng)，是地球的母星。太陽(yáng)的活動(dòng)時(shí)刻影響著地球附近的空間環(huán)境，地球的生命演化也和太陽(yáng)息息相關(guān)。

肉眼所見(jiàn)的太陽(yáng)，光芒四射。但有一群人，致力于探究太陽(yáng)光芒里的未知。南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授、“羲和號(hào)”衛(wèi)星科學(xué)與應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師李川，就是他們中的一員。

12月14日，“中國(guó)青年科技工作者日”全國(guó)活動(dòng)月暨中青科協(xié)成立30周年主題活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，李川作了《羲和逐日新征程 九霄尋夢(mèng)再問(wèn)天》的演講，分享“羲和號(hào)”探日衛(wèi)星設(shè)計(jì)，以及研發(fā)團(tuán)隊(duì)以浩瀚星辰為征途，為解開(kāi)更多宇宙奧秘而不斷奮斗的經(jīng)歷。

2023年10月，“羲和號(hào)”科學(xué)與應(yīng)用系統(tǒng)所在地——南京大學(xué)太陽(yáng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心依據(jù)“羲和號(hào)”追日兩年來(lái)的最新觀測(cè)數(shù)據(jù)，首次制作成太陽(yáng)表面壯觀景象的科普視頻，并發(fā)布了一系列原創(chuàng)性科研成果，為揭示太陽(yáng)爆發(fā)機(jī)制提供更多證據(jù)。

“羲和號(hào)”全名太陽(yáng)Hα光譜探測(cè)與雙超平臺(tái)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，由國(guó)家航天局批復(fù)立項(xiàng)，由南京大學(xué)、中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司第八研究院、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所等單位聯(lián)合研發(fā)。自2021年10月14日發(fā)射以來(lái)，在距離地球高度為517公里的太陽(yáng)同步軌道運(yùn)行?！啊撕吞?hào)’每天繞地球15圈，大約每95分鐘繞地球一圈，每圈觀測(cè)太陽(yáng)大約30分鐘”，李川介紹。

“羲和號(hào)”主要科學(xué)載荷是Hα成像光譜儀，太陽(yáng)的光球?qū)邮俏覀內(nèi)庋劭梢?jiàn)的部分，厚度約500公里，色球?qū)觿t在光球?qū)由洗蠹s1500公里的范圍內(nèi)。Hα是研究太陽(yáng)活動(dòng)在光球和色球響應(yīng)時(shí)最好的譜線之一?！棒撕吞?hào)”上的Hα成像光譜儀的空間分辨率、光譜分辨率、時(shí)間分辨率綜合指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

“羲和號(hào)”通過(guò)光譜掃描成像，一次掃描只要46秒，就能獲得太陽(yáng)全日面約1600萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的光譜，獲得300余個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的太陽(yáng)圖像，光譜分辨率可以達(dá)到0.0024納米，相當(dāng)于給太陽(yáng)大氣做了一次CT，獲取了從光球到色球的細(xì)致切面。

兩年多來(lái)，南京大學(xué)太陽(yáng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心已經(jīng)獲得超過(guò)400TB的高質(zhì)量科學(xué)數(shù)據(jù)。“羲和號(hào)”衛(wèi)星的成功發(fā)射，打破了我國(guó)沒(méi)有第一手太陽(yáng)空間探測(cè)數(shù)據(jù)、依賴國(guó)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)的被動(dòng)局面。目前，這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)完成標(biāo)定后，已對(duì)全世界科學(xué)家共享。

利用“羲和號(hào)”高質(zhì)量的科學(xué)數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)取得了一系列原創(chuàng)性研究成果。包括首次在Hα附近的中性鐵譜線上觀測(cè)到強(qiáng)烈的白光耀斑、首次定量獲得了不同層次太陽(yáng)大氣自轉(zhuǎn)的速度、首次獲得了中性硅譜線物理參數(shù)在日面上的分布、首次利用全日面光譜開(kāi)展Sun-as-a-Star的研究等。2023年8月，國(guó)際著名天文期刊《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》刊發(fā)熱點(diǎn)專(zhuān)輯，集中報(bào)道“羲和號(hào)”首批研究成果，“這是中國(guó)天文觀測(cè)設(shè)備首次以專(zhuān)輯形式在該期刊發(fā)表研究成果?！崩畲ㄕf(shuō)。

2008年，李川從南京大學(xué)天文學(xué)系畢業(yè)，并獲得南京大學(xué)和巴黎第十一大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位。同年，他赴倫敦大學(xué)學(xué)院穆蘭德空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（Mullard Space Science Laboratory）進(jìn)行博士后研究，2011年回國(guó)，入職南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院。

2015年，任職副教授的李川，被中國(guó)科學(xué)院院士、南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授方成問(wèn)道：“想不想來(lái)做一顆探測(cè)太陽(yáng)的衛(wèi)星？”

當(dāng)時(shí)，國(guó)際上已近70顆與太陽(yáng)探測(cè)相關(guān)的衛(wèi)星，但我國(guó)這個(gè)領(lǐng)域尚屬空白?！拔覀儧](méi)有任何經(jīng)驗(yàn)，也完全不知道從何開(kāi)始，實(shí)際上是很有挑戰(zhàn)的?！崩畲ㄕf(shuō)。

那時(shí)，李川有自己的科研方向和正在進(jìn)行的課題，按照當(dāng)時(shí)的考評(píng)體系，他必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)表相應(yīng)的文章，才能晉升職稱。如果轉(zhuǎn)向太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星，從一片全新的領(lǐng)域起步，短期內(nèi)可能無(wú)法發(fā)表論文。

“當(dāng)時(shí)這個(gè)項(xiàng)目完全不確定能否獲得國(guó)家立項(xiàng)，我確實(shí)猶豫過(guò)?！崩畲ㄐχf(shuō)。但最終，他為了解決我國(guó)太陽(yáng)物理研究嚴(yán)重依賴國(guó)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)的“卡脖子”問(wèn)題，全身心投入到這顆象征著中國(guó)對(duì)太陽(yáng)探索緣起的試驗(yàn)衛(wèi)星研發(fā)事業(yè)中。

“方成老師是我的榜樣，他給我很大激勵(lì)?！?955年，方成進(jìn)入南京大學(xué)天文系讀書(shū)。初入校門(mén)時(shí)，“向科學(xué)進(jìn)軍，做天文事業(yè)的拓荒者”的大字標(biāo)語(yǔ)讓他激動(dòng)不已，從此扎根于此。1958 年，南京大學(xué)天文系師生決心建造中國(guó)第一座塔式太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡，簡(jiǎn)稱“太陽(yáng)塔”。作為選址的孝陵衛(wèi)，當(dāng)時(shí)是一片荒無(wú)人煙的山包，沒(méi)有水電和道路，方成就和其他幾位老師在那里輪流值守，自己蓋茅草房，從山下挑水到山上，用小煤油燈燒飯，用幾乎原始的生活方式在那里熬過(guò)了一年半。李川說(shuō)：“方成老師他們就是在那樣一無(wú)所有的環(huán)境中，完全不計(jì)個(gè)人得失、艱苦卓絕地奮斗，最終歷時(shí)22年時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)太陽(yáng)物理設(shè)備的重大突破?！边@種精神激勵(lì)著他，他愿意繼續(xù)為中國(guó)天文事業(yè)的突破創(chuàng)新而奮斗。

2019年，經(jīng)過(guò)四年的各方論證，“羲和號(hào)”衛(wèi)星正式獲得國(guó)家航天局立項(xiàng)?！胺匠衫蠋熑虆⑴c和主持了項(xiàng)目研發(fā)，與我們一起出差、論證、計(jì)算、攻關(guān)，事無(wú)巨細(xì)，非常辛苦。直到現(xiàn)在，方成老師已經(jīng)80多歲了，每天仍工作在第一線，也在全程跟蹤指導(dǎo)‘羲和號(hào)’的數(shù)據(jù)標(biāo)定和科學(xué)研究?！崩畲ㄕf(shuō)。

“解決‘卡脖子’難題，重在突破創(chuàng)新，不但不能重復(fù)國(guó)外的工作，還要有突破點(diǎn)?！弊罱K，研制團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次采用了“動(dòng)靜隔離非接觸”總體設(shè)計(jì)新方法，為衛(wèi)星建立了雙超平臺(tái)，使載荷艙內(nèi)望遠(yuǎn)鏡更穩(wěn)定；另外，他們將望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)為全日面的光譜掃描，也就是CT式的掃描，這是以前沒(méi)有的?！爸挥杏兴黄疲拍艿玫礁营?dú)特的數(shù)據(jù)，也才能為科研提供新的探索空間?！?/p>

立項(xiàng)后，衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間被定為2021年10月，李川與團(tuán)隊(duì)自此開(kāi)始了兩年多的“魔鬼式”科研。每一周或兩周到合作單位進(jìn)行對(duì)接，幾乎每天都要開(kāi)碰頭會(huì)，“視頻會(huì)、線下會(huì)、電話會(huì)……各種形式的會(huì)議，無(wú)數(shù)次論證、細(xì)節(jié)修改、碰撞，最終達(dá)成共識(shí)，再共同奔赴?！?/p>

讓李川印象深刻的，還有發(fā)射前的地面觀測(cè)測(cè)試。在中國(guó)科學(xué)院南京天文光學(xué)儀器研究所的實(shí)驗(yàn)室里，連續(xù)幾天的測(cè)試，正好趕上連陰天，得不到測(cè)試數(shù)據(jù)。這讓李川十分著急，“這組技術(shù)指標(biāo)測(cè)試非常重要，衛(wèi)星探測(cè)的數(shù)據(jù)不能直接給科研人員做研究，而是要通過(guò)我們定標(biāo)，也就是把原始數(shù)據(jù)做成科研需要的科學(xué)數(shù)據(jù)。而這次測(cè)試，正好與此相關(guān)?！?/p>

如果不能及時(shí)完成測(cè)試，則有可能趕不上預(yù)計(jì)的發(fā)射窗口期。幸好千鈞一發(fā)之際，南京有了半天晴天，衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)抓緊寶貴的時(shí)間，完成了測(cè)試。

類(lèi)似突發(fā)情況、緊急事件，在“羲和號(hào)”研發(fā)期間，李川和團(tuán)隊(duì)遇到太多?！暗@就是科學(xué)探索之路，漫長(zhǎng)而艱辛，要耐得住寂寞，要經(jīng)得起挫折?！?/p>

2021年10月14日，太原衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)，李川目送“羲和號(hào)”發(fā)射成功，中國(guó)也由此正式開(kāi)始了空間探日時(shí)代。2021年10月24日，“羲和號(hào)”正式“睜開(kāi)雙眼”，實(shí)現(xiàn)了初光觀測(cè)。2022年8月3日，“羲和號(hào)”正式完成在軌調(diào)試，獲得國(guó)際最佳的全日面光譜成像數(shù)據(jù)。

由于在“羲和號(hào)”這項(xiàng)國(guó)家重大工程中的突出貢獻(xiàn)，2022年，李川在職稱評(píng)審和答辯中獲得校內(nèi)外評(píng)委一致認(rèn)可，順利晉升為教授。《“羲和號(hào)”實(shí)現(xiàn)高精度太陽(yáng)Hα光譜成像空間探測(cè)》也榮獲2022年度江蘇省行業(yè)領(lǐng)域十大科技進(jìn)展。

在軌運(yùn)行兩年多以來(lái)，“羲和號(hào)”源源不斷將探測(cè)數(shù)據(jù)返回地面。南京大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)與衛(wèi)星系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和地面系統(tǒng)聯(lián)合開(kāi)展在軌測(cè)試工作，“從數(shù)據(jù)看，衛(wèi)星在軌運(yùn)行狀態(tài)良好，很有希望工作至2026年前后的太陽(yáng)活動(dòng)峰年?！?/p>

“我們數(shù)據(jù)網(wǎng)站上太陽(yáng)的圖像，顏色很漂亮，但這不是衛(wèi)星傳輸回來(lái)的圖像，而是我們天文學(xué)家在數(shù)據(jù)處理后賦予圖像的顏色。我們接收的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，從原始數(shù)據(jù)到科學(xué)數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的處理過(guò)程?！崩畲ㄕf(shuō)，數(shù)據(jù)分析處理沒(méi)有太多可以參照的方法，需要不斷試錯(cuò)、尋找最佳方法，不斷迭代達(dá)到最佳的階段，“衛(wèi)星發(fā)射后，我們每周都會(huì)交流各自任務(wù)中的問(wèn)題，規(guī)劃下一步工作。我們既有壓力更有動(dòng)力，不能有絲毫懈怠?！?/p>

“羲和號(hào)”這項(xiàng)重大工程的成功來(lái)之不易，通過(guò)任務(wù)實(shí)施，南京大學(xué)也磨煉出了一支兼具科學(xué)探索和工程實(shí)踐能力的優(yōu)秀隊(duì)伍。在李川看來(lái)，隨著我國(guó)大型科研項(xiàng)目不斷落成、運(yùn)行，對(duì)工程類(lèi)科研人員的需求也越來(lái)越大。“羲和號(hào)”科學(xué)與應(yīng)用系統(tǒng)的副總設(shè)計(jì)師李臻高工，就對(duì)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理和科學(xué)數(shù)據(jù)中心建設(shè)作出了很大貢獻(xiàn)。“我們培養(yǎng)青年科研人才，要因材施教、用其所長(zhǎng)?！崩畲ㄕf(shuō)，有些人適合開(kāi)拓性、創(chuàng)新性的工作，就可以側(cè)重向科研創(chuàng)新方面發(fā)展，有的人適合數(shù)據(jù)收集、整理分析這類(lèi)科學(xué)工作，就可以朝著數(shù)據(jù)科學(xué)家方向努力?！爸卮罂茖W(xué)工程涉及方方面面，各領(lǐng)域協(xié)同合作才能取得更多科學(xué)成果。”

目前，南京大學(xué)科研評(píng)價(jià)體系的理念和導(dǎo)向也在不斷改革，從2014年提出做問(wèn)題導(dǎo)向的原創(chuàng)研究，到2018年提出構(gòu)建“三位一體原創(chuàng)驅(qū)動(dòng)式”科學(xué)研究新模式，“建立以科技創(chuàng)新質(zhì)量、學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)為導(dǎo)向的評(píng)價(jià)體系”逐步完善，科研人員有機(jī)會(huì)在創(chuàng)新鏈條上走得更遠(yuǎn)。

在李川眼中，太陽(yáng)也有“情緒”，有時(shí)平靜，有時(shí)“躁動(dòng)”，但不論什么樣子的太陽(yáng)，都魅力無(wú)窮，“太陽(yáng)是距離地球最近的恒星，是唯一可以實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率觀測(cè)的恒星。它是我們了解宇宙的一個(gè)窗口，通過(guò)對(duì)它的觀測(cè)和研究，可以了解一些基本的天體物理過(guò)程?！?/p>

作為位于太陽(yáng)和地球連接線上、繞地球運(yùn)行的探測(cè)衛(wèi)星，“羲和號(hào)”也存在一定技術(shù)局限?！皬牡厍虻姆较騺?lái)看，探測(cè)到的各類(lèi)爆發(fā)都只是太陽(yáng)活動(dòng)在天空背景下的投影，既不能較好地研究太陽(yáng)的三維結(jié)構(gòu)，也無(wú)法很好地預(yù)測(cè)太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)對(duì)地球的影響?！?/p>

為了彌補(bǔ)遺憾，目前，南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)在“羲和號(hào)”衛(wèi)星成功發(fā)射的基礎(chǔ)上，推動(dòng)實(shí)施日地L5太陽(yáng)探測(cè)工程，即“羲和二號(hào)”?！澳壳斑@項(xiàng)工作正在進(jìn)行論證。”李川說(shuō)，“太陽(yáng)系里面一共有五個(gè)日地平動(dòng)點(diǎn)，距離地球約1.5億公里的L5點(diǎn)，位于與太陽(yáng)和地球呈等邊三角形的位置，且在太陽(yáng)自轉(zhuǎn)的上游，因此是最適合的太陽(yáng)觀測(cè)點(diǎn)?！卑l(fā)射衛(wèi)星到日地L5點(diǎn)探測(cè)，結(jié)合近地觀測(cè)，可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象的三維重構(gòu)，有望開(kāi)啟我國(guó)的立體探日時(shí)代，可深入探索太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)的起源和演化、揭示太陽(yáng)爆發(fā)的物理機(jī)制、傳播規(guī)律和對(duì)地響應(yīng)，還能夠提前四至五天觀測(cè)到即將面向地球的太陽(yáng)活動(dòng)，實(shí)時(shí)追蹤面向地球的太陽(yáng)爆發(fā)，給空間天氣預(yù)報(bào)帶來(lái)革命性突破。

習(xí)近平總書(shū)記給南京大學(xué)留學(xué)歸國(guó)青年學(xué)者的重要回信中提出希望，“在堅(jiān)持立德樹(shù)人、推動(dòng)科技自立自強(qiáng)上再創(chuàng)佳績(jī)”。李川說(shuō)，“科學(xué)報(bào)國(guó)”是南大的傳統(tǒng)底色?！拔覀兠嫦驀?guó)家重大戰(zhàn)略需求的責(zé)任意識(shí)從未改變。論證和研發(fā)‘羲和號(hào)’，我們六年磨一劍。截至目前，日地L5點(diǎn)尚為國(guó)際探測(cè)空白。太陽(yáng)活動(dòng)有11年的周期，我們希望到2026—2027年，太陽(yáng)活動(dòng)周期最活躍的時(shí)候，‘羲和二號(hào)’探日衛(wèi)星能夠填補(bǔ)這個(gè)空白?！?/p>

責(zé)任編輯 趙漢琪