去太空傾聽太陽的「呼吸」

    9月24日，捷龍三號運載火箭搭載著「複旦一號（瀾湄未來星）」飛向太空。中青報·中青網記者瞭解到，這是由複旦大學和上海航天空間技術有限公司聯合研製的第一顆衛星，依託國內相對完備的產業鏈和精簡的設計，其硬件成本僅為國外具有相似科學目標衛星的「零頭」。

    雖然「氪金」不多，但它卻肩負著探索一門高深學問的重任——研究預測太陽爆發的機理問題，分析太陽表面為什麼「炸」、什麼時候「炸」。「複旦一號（瀾湄未來星）」主載荷總設計師、複旦大學核科學與技術系副教授楊洋告訴記者，太陽表面的「炸」實際上是日面等離子體的一次集中爆發。

    「就像科幻電影《流浪地球2》里描述的那樣，一旦太陽表面來了一次‘大爆炸’，它所釋放的高能粒子風暴就可能把空間設施摧殘殆盡。」楊洋介紹，他和6名複旦學子一起研製的「複旦一號（瀾湄未來星）」紫外載荷，就是通過不斷收集日面等離子體運動的數據，來分析這種「爆炸」的原因和規模，「有了這顆衛星，我們就能拿到第一手的太陽等離子體參數信息，建立一個自己的預測模型」。

    「在螺螄殼里做道場」

    太陽是一個不斷活躍的「有生命、有呼吸」的等離子體球，其平常的表面活動會產生太陽風。高強度太陽風對人類影響較大，主要來源於日冕（最外層大氣）物質拋射過程中等離子體的向外噴射。這種等離子體被加速到太陽引力無法「拉住」它的程度，然後沿著太陽磁場線行進，到達地球附近。因其有極高的動能且攜帶大量電荷，會對近地空域的人造電子設備造成巨大影響甚至是毀傷。

    楊洋告訴記者，要把日面等離子體的運動情況研究清楚，就需要「複旦一號（瀾湄未來星）」收集足夠多的數據。不過，這顆衛星要在嚴苛的大溫差環境和全波段輻照中「站住腳」，抵禦來自太陽以及地球本身的中高能粒子，難度極大。

    不僅如此，這顆衛星還要有足夠的「光譜拍照技術」和「數據刷新速度」，給不斷活動的、特定區域的耀斑等離子體「拍照」。而這種能力，實現起來也不容易。

    所謂光譜拍照，就是要精準辨別出照片中每個像素的顏色。經過訓練的「最強」人眼，能分辨波長相差1納米的不同單色光，但是光譜拍照要求分辨0.05納米以下的單色光。這相當於，在最敏感的女性所能辨別的兩個相鄰色號口紅之間，用光譜技術再插入20個以上漸變色號。

    楊洋介紹，「複旦一號（瀾湄未來星）」目前的光譜拍攝精度可以做到0.03納米，這是我國研製的具有類似功能的衛星「之最」。

    「過去衛星採用過棱鏡路線，而我們選擇更高精度的光柵技術路線。」楊洋說，「複旦一號（瀾湄未來星）」不僅解像度高，畫面刷新速度也很快，創造了280納米紫外線波段內刷新速度「之最」。它能在最快0.1秒的時間內刷新拍攝日面等離子體爆發的細節，而之前國際上同類型衛星最快的速度，是1秒。

    實際上，如果想獲得超高光譜解像度，把衛星尺度做大就可以。但研製團隊難就難在，要根據各種限制把這顆小衛星的邊長控制在50釐米。

    「在小衛星裡頭，我們儘量讓光跑斜線，這樣它的焦距就可以長一些，距離越長，解像度就能做得越高。」楊洋說，大衛星可以做到10-20米的總長，相比之下，「複旦一號（瀾湄未來星）」是在螺螄殼里做道場，「我們把整體光路都進行了特異性設計」。

    「花小錢辦大事」

    「複旦一號（瀾湄未來星）」研製團隊還貫徹「多快好省」路線。國外同類型衛星的成本以億美元計，這顆小衛星只花費了前者的1%。

    楊洋介紹，「複旦一號（瀾湄未來星）」慳錢的秘方是「依託產業鏈，核心自己搓」。比如，主載荷「核科一號」光譜儀就是楊洋和團隊依託我國相對完備的產業鏈，用低成本器件一點一點「搓」出來的。

    「光譜儀中有很多小鏡子，我們一方面要研究如何高精度地校準這些鏡子，使之重量輕、角度準，另一方面還要研究這些鏡子如何固定得住，經久耐用。」楊洋介紹，「複旦一號（瀾湄未來星）」所攜帶的光譜儀要能夠耐受-50℃-100℃之間的溫差，熱脹冷縮後，各種光學器件必然會發生細微的形變，直接導致「光路歪了」，拍出的「照片」變得模糊、收集到的數據出現偏差。

    「就像你的眼鏡一樣，我們平時使用不會有什麼問題，但是如果溫差過大的話，你會發現它有一些厚度上的變化和結構上的變形，影響視線的清晰度，嚴重的甚至會導致鏡片碎裂。」楊洋說。

    為了讓光譜儀在太空中適應巨大的溫差，他們採用了一種特殊的「補償結構」。熱脹冷縮後，不同結構件的應變互相抵消，保持原位。

    光譜儀的固定膠，也是一門大學問。團隊先後試用了多種進口和國產膠水，在極端環境中試驗其穩定性。最終團隊發現，一款國產膠表現良好，成本相應地又降了下來。

    「我們小衛星重量約50公斤，主載荷光譜儀不能超過2.5公斤，既要輕又要抗輻照。」團隊成員、複旦大學核科學與技術系博士研究生田自強告訴記者，抗輻照簡單理解就是「防曬」。與人類在地球上防曬、防紫外線不同，「複旦一號（瀾湄未來星）」要直接面對太陽本身以及其他宇宙光源的照射。

    等離子體是一種帶電離子，在太空中會高能「撞入」小衛星內部。一顆好不容易發射上天的衛星，要是「防曬」工作沒做好，很有可能還沒收集到數據，就已經被空間粒子給「吹」壞了。

    「我們小衛星內部還設置了4-5層保護層，不同層次的特性也不同，都能起到保護作用。」田自強說，複旦大學核科學與技術系有台全國獨有的超級電子束離子阱裝置，它是幾代核物理師生「手搓」的大科學裝置，通過這台已有的大裝置，團隊成員可以直接模擬日冕極端環境，以測試小衛星的「疊甲」是否有效。

    各種精修細改、加量減重的活兒，都是複旦大學師生團隊一點一點摸索出來的，主打一個「勤儉持家，能自己幹的不求人」。

    「在巨幅照片中尋找細微的指紋」

    值得注意的是，這顆小衛星的發射，將成為瀾滄江－湄公河沿線六國科技合作領域的一個範本。

    2019年，為落實瀾湄合作第四次外長會關於加強教育和青年領域合作的共識，來自瀾湄六國的8所大學發起成立瀾滄江－湄公河青年交流合作中心，該中心就設在複旦大學。其他合作學校還包括柬埔寨金邊皇家大學、青海大學、廣西財經學院、老撾國立大學、緬甸仰光大學、泰國桑治卡王子大學和越南河內國家大學所屬人文與社會科學大學等。

    多年來，六國青年在人文領域交往密切。這一次，「複旦一號（瀾湄未來星）」將帶著六國青年師生在科技領域的合作，一起「飛」向太空。

    「衛星載荷是複旦團隊研製的，但未來所獲得的珍貴太陽數據及其研究、分析等，可以與瀾湄六國的青年師生共享。」複旦大學現代物理研究所黨委書記趙強說。

    楊洋告訴記者，「複旦一號（瀾湄未來星）」收集日面等離子體運動數據，只是進行太陽爆發研究的第一步，其後還有繁重的「解譜」工作。

    數據還沒來，複旦大學核科學與技術系碩士研究生黃世涵已經在做「解譜」的準備工作了。他收集了此前世界各國公開的有關太陽等離子體的研究數據，初步編寫了算法和預測模型，就等「複旦一號（瀾湄未來星）」的最新數據到位。

    「‘解譜’就像是在一張巨幅照片中尋找細微的指紋。」黃世涵告訴記者，日面等離子體實際光譜數據回來後，他和團隊成員要從光譜中提取有效數據，根據這些數據，在國內唯一的超級電子束離子阱裝置上設計、運行地面實驗，重覆和模擬太陽表面的過程，並在分析天上和地上實驗差異的過程中，釐清理論模型的優缺點並迭代改進，從而找出日面等離子體的運動規律。

    在這個過程中，瀾湄六國的年青人和資深學者都能一起參與。「不僅共享數據，我們還會在更大的範圍內互訪、互派學生、合建數據接收站，合建國際合作研究中心。」楊洋說。

    一個最新的消息是，前不久在泰國佩治舉辦的瀾湄區域治理青年創新設計大賽上，複旦大學向六國青年展示了衛星研製和應用情況，並啟動跨國科研團隊的招募工作。接下來，就等著中國衛星傳回的寶貴數據了。

中青報·中青網記者 王燁捷 來源：中國青年報

2024年10月07日 03 版