近日，南京大學與中國科學院雲南天文台、航天科技集團八院的科研人員透過分析「羲和號」的觀測數據，精確繪制出了國際首個太陽大氣自轉的三維影像。
中國首顆太陽探測科學技術試驗衛星「羲和號」成功發射。
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相關論文以「Height-dependent differential rotation of the solar atmosphere detected by CHASE」為題於2024年6月13日發表在國際著名期刊【Nature Astronomy】
「羲和號」
「羲和號」全稱是太陽Hα光譜探測與雙超平台科學技術試驗衛星，它有兩重內容，一個是太陽科學觀測，一個是衛星平台試驗。科學上，它實作了國際首次太陽Hα波段光譜成像的空間觀測；技術上，它驗證了超高指向精度和超高穩定度的新型衛星平台。
「羲和號」衛星發射前照片
（圖片來源：作者提供）
「羲和號」的簡稱是在衛星發射前透過全國範圍內的征名活動獲得的。羲和是太陽女神，也代表了中國空間探日的開始。
「羲和號」的論證始於2015年，直到2019年才正式獲得國家航天局的立項，到2021年10月14日發射，僅僅2年的研制時間，非常具有挑戰性。
首先是衛星平台，它是基於磁浮控制技術，實作載荷艙和平台艙的隔離，這樣平台的震動就不會傳遞到載荷艙，相當於給望遠鏡裝上了一個穩像機構。但這種技術是國際首創，研制起來並不容易，而且兩艙脫離之後，需要用激光無線數傳和無線能源傳輸，也帶了風險和挑戰，不過以上均已獲得突破。
其次是科學載荷——Hα成像光譜儀，它是透過狹縫和光柵對太陽進行光譜掃描，並非簡單地拍照。而且由於衛星平台的尺寸限制，使得在有限空間內完成如此高精度的設計和裝配非常困難。
Hα成像光譜儀及光路示意圖
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最後是數據定標，這是國際上首次全日面Hα光譜掃描成像，獲得的原始數據需要經過一系列科學定標過程，比如譜線彎曲改正、平場和暗場處理、輻射強度和波長定標、座標轉換等等，每一項都需要新的技術方法。透過以上這些技術和方法的突破，「羲和號」獲得了國際領先的全日面光譜成像。
太陽大氣自轉三維影像
太陽的結構從裏到外可分為核心區、輻射區、對流區和大氣層。
經過幾十年的探測，科學家基本確立了有關太陽自轉的兩個重要規律：一是從輻射區到對流區的過渡區域（約0.7個太陽半徑處），自轉速度存在明顯變化，這種剪下運動導致磁場的產生，即為太陽發電機；二是自轉速度從赤道向兩極區域逐漸遞減，這種變化導致太陽磁場從極向場到環向場的轉換。
太陽活動11年的周期性變化本質上是太陽發電機和較差自轉相互作用的結果。然而，對於太陽表面的大氣層，它的自轉速度的變化規律，特別是隨高度是如何變化的，至今沒有確切定論。
「羲和號」全日面光譜掃描成像
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「羲和號」實作了國際首次太陽Hα波段光譜成像的空間觀測，它可以在46秒內掃描全日面，獲得日面上任何一個點的光譜資訊，它的光譜分辨率達到0.0024 nm/pixel。它可以同時獲取多條譜線的精細結構，包括Si I（6560.58 Å）、Fe I（6569.21 Å）和Hα（6562.81 Å）譜線。
這些譜線形成在太陽大氣從較低的光球層底部至較高的色球高層的不同層次。利用這些譜線的高精度觀測，再運用譜線形成的反演方法，可以精確推導太陽大氣不同層次的都卜勒速度場。有了這些速度場，我們就可以構建太陽大氣較差自轉的三維影像。
分析影像發現，太陽大氣的自轉速度隨著高度有明顯增加的趨勢，這與直觀認識相悖，因為如果高層大氣的轉動是由低層大氣的粘滯效應帶動的，那麽自轉速度應該隨高度而逐漸降低。
太陽大氣由光球層底部到色球層不同高度處的都卜勒速度圖，太陽自轉速度自赤道向極區逐漸降低的規律在太陽大氣各個層次都存在。
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太陽大氣自轉速度隨高度和緯度的分布，太陽大氣的自轉速度隨著高度有明顯增加的趨勢。
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進一步的研究發現，這種反常的自轉現象是由無處不在的小尺度磁場結構及其與太陽大氣的「磁凍結」效應造成的。
與大尺度磁場不同，這些小尺度磁場形成於近表面的速度剪下層（0.95–1個太陽半徑處），該層次相比於太陽大氣具有較快的自轉速度。
由於光球層電離度較低，密度較高，「磁凍結」效應不明顯，因而這些小尺度磁場對太陽大氣的拖曳能力較差；而在色球層及更高層的太陽大氣，電離度較高，「磁凍結」效應顯著增強，磁場得以更高效地拖拽太陽大氣，使這些層次的自轉速度明顯快於光球層。
太陽色球都卜勒速度場與視向磁場分布的對應關系，二者具有很好的相關性，驗證了小尺度磁場與色球大氣存在強凍結效應。
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以往對太陽大氣自轉的研究，往往是基於成像觀測，比如跟蹤日面上不同緯度的黑子來得到光球的自轉速度，但是黑子在演化，因此跟蹤的精度不會太高，對於更高層的太陽大氣比如色球和日冕，更加難以確定。
而現在可以透過譜線的都卜勒頻移，計算不同高度太陽大氣的速度場，由此，刻畫出太陽大氣自轉的三維影像。
該項科學發現對理解太陽發電機、太陽大氣加熱、太陽自轉的長期變化帶來重要的觀測證據。
小尺度磁場很可能產生於對流區的較淺層次，不同於大尺度磁場（如太陽黑子）產生於對流區的底部，因此一個完整的發電機模型必須包含足夠大的深度範圍，才能全面解釋不同尺度的磁場分布。
不同高度存在不同程度的磁凍結效應，意味著離子與中性粒子的相互作用也不同，太陽大氣的加熱模型需要考慮這個因素。
太陽風示意圖
（圖片來源：veer圖庫）
太陽高層大氣的較快的自轉速度，意味著太陽風損失的角動量不可小視，這對太陽自轉起到了「制動」作用，因此隨著年齡增大太陽自轉會逐漸減慢。
太陽自其形成之日起，就處於不停地轉動狀態，一旦停止轉動，其壽命也將終結。太陽自轉速度的減少是由於角動量損失造成的，而角動量損失的多少取決於三個物理量：太陽風的速度、太陽阿爾芬半徑的大小和太陽大氣自轉速度。此次發現，太陽大氣自轉速度在高層大氣上更快，表明角動量損失比預期的要大，因此，太陽自轉速度減慢的可能更快。
未來套用
太陽爆發是空間天氣的源頭。「羲和號」持續開展太陽活動的監測，為空間天氣預警預報提供了完全自主的數據。目前，「羲和號」的數據已經接入國家空間天氣監測預警中心，實作了業務級套用。比如，2024年5月份，太陽持續爆發產生了一系列空間天氣事件，尤其是引發了近20年來最強的一次地磁暴，造成全球範圍內的極光現象，也造成一些災害性空間天氣效應。「羲和號」對這一系列太陽爆發都有很好的監測。
目前，太陽活動已經開始進入極大期，「羲和號」在軌執行狀態良好，將持續產出一系列科學成果。尤其在太陽爆發的物理機制、太陽大氣物質和能量的輸運過程、類太陽恒星爆發的研究等方面，取得原創性成果。
面向未來，我們進一步提出了「羲和二號」——日地L5太陽探測工程，目前正在積極推進中。它將是人類首次發射一顆探測器至日地L5點，探索太陽系未知疆域，開啟中國太陽立體探測的時代。除了「羲和二號」之外，中國太陽探測計劃還包括「誇父二號」——太陽極軌天文台、太陽抵近探測任務等。這些計劃的布局和實施，將使人類對太陽這顆地球的母星探索更廣、認識更深。
出品：科普中國
作者：李川（南京大學教授）
監制：中國科普博覽
