近日，南京大学与中国科学院云南天文台、航天科技集团八院的科研人员通过分析“羲和号”的观测数据，精确绘制出了国际首个太阳大气自转的三维图像。
我国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”成功发射。
（图片来源：作者提供）
相关论文以“Height-dependent differential rotation of the solar atmosphere detected by CHASE”为题于2024年6月13日发表在国际著名期刊《Nature Astronomy》
“羲和号”
“羲和号”全称是太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星，它有两重属性，一个是太阳科学观测，一个是卫星平台试验。科学上，它实现了国际首次太阳Hα波段光谱成像的空间观测；技术上，它验证了超高指向精度和超高稳定度的新型卫星平台。
“羲和号”卫星发射前照片
（图片来源：作者提供）
“羲和号”的简称是在卫星发射前通过全国范围内的征名活动获得的。羲和是太阳女神，也代表了我国空间探日的开始。
“羲和号”的论证始于2015年，直到2019年才正式获得国家航天局的立项，到2021年10月14日发射，仅仅2年的研制时间，非常具有挑战性。
首先是卫星平台，它是基于磁浮控制技术，实现载荷舱和平台舱的隔离，这样平台的震动就不会传递到载荷舱，相当于给望远镜装上了一个稳像机构。但这种技术是国际首创，研制起来并不容易，而且两舱脱离之后，需要用激光无线数传和无线能源传输，也带了风险和挑战，不过以上均已获得突破。
其次是科学载荷——Hα成像光谱仪，它是通过狭缝和光栅对太阳进行光谱扫描，并非简单地拍照。而且由于卫星平台的尺寸限制，使得在有限空间内完成如此高精度的设计和装配非常困难。
Hα成像光谱仪及光路示意图
（图片来源：作者提供）
最后是数据定标，这是国际上首次全日面Hα光谱扫描成像，获得的原始数据需要经过一系列科学定标过程，比如谱线弯曲改正、平场和暗场处理、辐射强度和波长定标、坐标转换等等，每一项都需要新的技术方法。通过以上这些技术和方法的突破，“羲和号”获得了国际领先的全日面光谱成像。
太阳大气自转三维图像
太阳的结构从里到外可分为核心区、辐射区、对流区和大气层。
经过几十年的探测，科学家基本确立了有关太阳自转的两个重要规律：一是从辐射区到对流区的过渡区域（约0.7个太阳半径处），自转速度存在明显变化，这种剪切运动导致磁场的产生，即为太阳发电机；二是自转速度从赤道向两极区域逐渐递减，这种变化导致太阳磁场从极向场到环向场的转换。
太阳活动11年的周期性变化本质上是太阳发电机和较差自转相互作用的结果。然而，对于太阳表面的大气层，它的自转速度的变化规律，特别是随高度是如何变化的，至今没有确切定论。
“羲和号”全日面光谱扫描成像
（图片来源：作者提供）
“羲和号”实现了国际首次太阳Hα波段光谱成像的空间观测，它可以在46秒内扫描全日面，获得日面上任何一个点的光谱信息，它的光谱分辨率达到0.0024 nm/pixel。它可以同时获取多条谱线的精细结构，包括Si I（6560.58 Å）、Fe I（6569.21 Å）和Hα（6562.81 Å）谱线。
这些谱线形成在太阳大气从较低的光球层底部至较高的色球高层的不同层次。利用这些谱线的高精度观测，再运用谱线形成的反演方法，可以精确推导太阳大气不同层次的多普勒速度场。有了这些速度场，我们就可以构建太阳大气较差自转的三维图像。
分析图像发现，太阳大气的自转速度随着高度有明显增加的趋势，这与直观认识相悖，因为如果高层大气的转动是由低层大气的粘滞效应带动的，那么自转速度应该随高度而逐渐降低。
太阳大气由光球层底部到色球层不同高度处的多普勒速度图，太阳自转速度自赤道向极区逐渐降低的规律在太阳大气各个层次都存在。
（图片来源：作者提供）
太阳大气自转速度随高度和纬度的分布，太阳大气的自转速度随着高度有明显增加的趋势。
（图片来源：作者提供）
进一步的研究发现，这种反常的自转现象是由无处不在的小尺度磁场结构及其与太阳大气的“磁冻结”效应造成的。
与大尺度磁场不同，这些小尺度磁场形成于近表面的速度剪切层（0.95–1个太阳半径处），该层次相比于太阳大气具有较快的自转速度。
由于光球层电离度较低，密度较高，“磁冻结”效应不明显，因而这些小尺度磁场对太阳大气的拖曳能力较差；而在色球层及更高层的太阳大气，电离度较高，“磁冻结”效应显著增强，磁场得以更高效地拖拽太阳大气，使这些层次的自转速度明显快于光球层。
太阳色球多普勒速度场与视向磁场分布的对应关系，二者具有很好的相关性，验证了小尺度磁场与色球大气存在强冻结效应。
（图片来源：作者提供）
以往对太阳大气自转的研究，往往是基于成像观测，比如跟踪日面上不同纬度的黑子来得到光球的自转速度，但是黑子在演化，因此跟踪的精度不会太高，对于更高层的太阳大气比如色球和日冕，更加难以确定。
而现在可以通过谱线的多普勒频移，计算不同高度太阳大气的速度场，由此，刻画出太阳大气自转的三维图像。
该项科学发现对理解太阳发电机、太阳大气加热、太阳自转的长期变化带来重要的观测证据。
小尺度磁场很可能产生于对流区的较浅层次，不同于大尺度磁场（如太阳黑子）产生于对流区的底部，因此一个完整的发电机模型必须包含足够大的深度范围，才能全面解释不同尺度的磁场分布。
不同高度存在不同程度的磁冻结效应，意味着离子与中性粒子的相互作用也不同，太阳大气的加热模型需要考虑这个因素。
太阳风示意图
（图片来源：veer图库）
太阳高层大气的较快的自转速度，意味着太阳风损失的角动量不可小视，这对太阳自转起到了“制动”作用，因此随着年龄增大太阳自转会逐渐减慢。
太阳自其形成之日起，就处于不停地转动状态，一旦停止转动，其寿命也将终结。太阳自转速度的减少是由于角动量损失造成的，而角动量损失的多少取决于三个物理量：太阳风的速度、太阳阿尔芬半径的大小和太阳大气自转速度。此次发现，太阳大气自转速度在高层大气上更快，表明角动量损失比预期的要大，因此，太阳自转速度减慢的可能更快。
未来应用
太阳爆发是空间天气的源头。“羲和号”持续开展太阳活动的监测，为空间天气预警预报提供了完全自主的数据。目前，“羲和号”的数据已经接入国家空间天气监测预警中心，实现了业务级应用。比如，2024年5月份，太阳持续爆发产生了一系列空间天气事件，尤其是引发了近20年来最强的一次地磁暴，造成全球范围内的极光现象，也造成一些灾害性空间天气效应。“羲和号”对这一系列太阳爆发都有很好的监测。
目前，太阳活动已经开始进入极大期，“羲和号”在轨运行状态良好，将持续产出一系列科学成果。尤其在太阳爆发的物理机制、太阳大气物质和能量的输运过程、类太阳恒星爆发的研究等方面，取得原创性成果。
面向未来，我们进一步提出了“羲和二号”——日地L5太阳探测工程，目前正在积极推进中。它将是人类首次发射一颗探测器至日地L5点，探索太阳系未知疆域，开启我国太阳立体探测的时代。除了“羲和二号”之外，我国太阳探测计划还包括“夸父二号”——太阳极轨天文台、太阳抵近探测任务等。这些计划的布局和实施，将使人类对太阳这颗地球的母星探索更广、认识更深。
出品：科普中国
作者：李川（南京大学教授）
监制：中国科普博览
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