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世界航天之父 夸父一号对中国航天事业的意义

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从古至今,太阳引发了人类太多的思考。夸父逐日的传说,折射着中华民族对这颗耀眼恒星的好奇与向往。

2022年10月9日,中国综合性太阳探测专用卫星“夸父一号”在酒泉卫星发射中心升空,正式拉开了我国对日空间探测的序章。

2023年1月12日,由两院院士投票评选的2022年中国十大科技进展新闻在京揭晓,“‘夸父一号’发射成功并发布首批科学图像”,位列其中。

仰望天空,风云浩荡,有一群人可以在心中清晰勾勒出“夸父一号”的样貌细节。他们,是“夸父一号”首席科学家、中科院紫金山天文台研究员甘为群率领的科研团队。

“夸父一号”的逐日之旅,凝结着他们长达11年的岁月与心血。

不讲荣誉利益 只管埋头苦干

“虽然现在人类对宇宙的观测已经延伸至130亿光年以外,但迄今为止,太阳仍然是浩瀚宇宙中唯一可供人类详细研究的恒星。”甘为群说,“太阳上发生的活动,不只影响着地球和人类,也可能在其他恒星上演。所以人类对太阳的物理过程越了解,对宇宙的认识也会更深刻。”

开启中国太阳探测新时代的“夸父一号”,全称为先进天基太阳天文台,运行在距离地面约720千米的太阳同步晨昏轨道。它是我国第一颗综合性太阳探测专用卫星,上面有3台载荷,实现对太阳“一磁两暴”多波段和空间拓展上的组合观测是其主要特色。

太阳活动以11年为周期,第25个太阳活动周期开始于2020年,将持续到2031年左右。这一周期内的峰值预计将出现在2024年到2025年,那时太阳爆发现象也最频繁。

“‘夸父一号’于2022年发射,可以记录下太阳活动由少变多、逐渐活跃直至达到高峰的过程,有利于捕捉到更多剧烈爆发现象。”“夸父一号”HXI载荷数据科学家、中科院紫金山天文台研究员苏杨表示,“空间探日,是研究和了解太阳的重要一步,对人类自身生存也具有重要现实意义。”

与太阳活动周期11年“同步”,“夸父一号”的发射适逢空间科学先导专项实施11年。“‘夸父一号’缘起于2011年中科院首批空间科学先导专项的立项实施。”甘为群介绍,“从概念性提出,到可行性研究、工程立项、工程实施,‘夸父一号’是一个大科学工程。11年期间,历经各种磨难,有科学上的挑战,更有资金、人员、施工等方面的难关。”

“‘夸父一号’的成功发射和运转,让我们深刻理解了‘两弹一星’精神和载人航天精神,简单说来就是大团队团结协作,不讲荣誉利益,只管埋头苦干。”甘为群强调,“主动肩负起历史重任,把自己的科学追求融入建设社会主义现代化国家的伟大事业中去,是新时代中国科技工作者精神世界的真实写照。”

“24小时在线”的科研团队

“我们的卫星目前还处于在轨测试阶段,这个阶段主要目的是验证载荷的观测能力以及载荷是否先进。”甘为群介绍,为了实现“一磁两暴”的科学目标,“夸父一号”携带了三个载荷――全日面矢量磁像仪(FMG)、太阳硬X射线成像仪(HXI)和莱曼阿尔法太阳望远镜(LST)。

三个载荷的研制工作,都是全新的。研制团队在几年时间里分头完成了从“0到1”的探索。

HXI载荷的主要科学目标是在约30keV~200keV能量段,对太阳耀斑的高能辐射进行能谱和成像观测。“在国内,我们第一次研制这么高分辨率的硬X射线成像设备,并做到了跟国际最高水平相近。”苏杨说。

为了实现1.2米距离上微米级形变和角秒级扭转的高精度监测,苏杨和团队用了几年时间开展攻关,提出并验证了新的解决方案“太阳指向镜零位定标方案”及配套算法,成功解决了这个难题,同时将太阳中心的定位精度从2个角秒提高到优于0.3个角秒。

在对HXI准直器飞行件进行详细标定和测量过程中,由于现有设备达不到目标要求,一项重要测试结果一直不尽如人意。HXI主任设计师张哲带领的技术团队重新采购了高精度设备,并自行设计搭建了25米X射线束流测试平台。场地条件简陋,团队成员的吃住行需要克服重重困难。最终,团队成功获得了91个子准直器的测试曲线。

“LST载荷提供了首个在莱曼阿尔法波段的全日面和内日冕的连续观测。”LST载荷数据科学家、中科院紫金山天文台研究员封莉介绍,LST包含太阳日面成像仪、太阳白光望远镜、太阳日冕仪三台子载荷。

2021年夏天,为如期完成太阳日冕仪的研发工作,封莉和团队成员与技术难题展开“死磕”。“几个人基本上是轮流通宵。”封莉回忆道,“从原始物理参数的模拟,到合成莱曼阿尔法波段的成像,再到给载荷研制方提供具体技术参数,大家面临的挑战层出不穷。”

“这是一个痛并快乐的过程。克服科技难题,实现我国太阳卫星探测多项零的突破,对大家既是挑战又是动力。”“夸父一号”LST载荷科学团队成员、中科院紫金山天文台副研究员卢磊说,“我们是一个‘24小时在线’的团队,任何时间在线上抛出问题,都会有人立即响应,研讨交流随时都在进行。”

“从吃‘现成饭’,到‘烧大餐’给大家吃”

2022年10月9日,7时43分。

黄宇这一生都会记得,在那个秋意微凉的清晨,长征二号丁型运载火箭成功将“夸父一号”发射升空。

作为“夸父一号”卫星首席科学家助理、科学应用系统副总师,黄宇亲历了“夸父一号”研制的全过程。他强调:“经历4到6个月调试后,‘夸父一号’每天将产生大约500GB的科学探测数据,我们对太阳的研究将不再完全依靠国外的空间数据。”

“‘夸父一号’进入科学运行阶段后,它的卫星数据连同数据分析软件将对国内外同行开放共享,围绕其观测结果的研究有望成为国际热点。”甘为群说。

2022年12月13日,我国综合性太阳探测专用卫星“夸父一号”首批科学图像在京发布,其中多幅图像达到国际先进水平。

“当前,我国的太阳物理研究论文总数已居世界第二位,但这些论文所使用的研究数据大都来自国外的卫星,缺少自己原创性贡献。”黄宇表示,“‘夸父一号’不仅可以让我们拥有第一手的太阳研究数据,也将为国际天文学研究贡献中国力量。”

“一个完整的科研体系包括仪器、观测、研究。我们之前更多的是利用国外卫星的数据直接研究。”甘为群说,“打个比喻,以前我们吃‘现成饭’,现在我们‘自己烧饭’,以后我们要‘烧大餐’给大家吃。”

路虽远,行则将至。“在卫星研制阶段,任何一个考虑不周都会带来严重后果。”“夸父一号”HXI载荷科学团队成员、中科院紫金山天文台博士后夏凡小雨于2018年加入团队的科研工作。她说:“这几年,不仅跟着老师们开展了一系列开拓性的科研工作,而且培养了严谨的科研态度,最重要的是树立了攀登世界空间科学最高峰的信心。”

早春二月,万物萌发,“夸父二号”的规划研发工作也已蓄势待发。“作为空间科学先导专项,我们的卫星肩负着采撷航天‘皇冠上的明珠’的使命,必须能够增进人类前沿科学认知、实现更多从‘0到1’的突破。”甘为群介绍,“夸父二号”研发方案国内目前有好几个候选,前提必须是国际领先,我们团队也有一个从技术到科学均绝对先进的编队飞行太阳观测提案,简单讲就是前面一颗卫星携带新技术镜头,后面一颗卫星放探测器,通过长焦距得到前所未有的超高空间分辨太阳探测图像。

天空的点点繁星,始终是人类的梦想所在。甘为群团队以“现代夸父逐日”的科研故事告诉世界,在探索深空、探索自然的长路上,中国正迎光启航。

(本报记者 罗旭)

(光明日报)

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飞天巨眼影响 飞天巨眼几月发射

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中国巡天空间望远镜在轨运行示意图。

航天员从天宫空间站出舱开展巡天空间望远镜维护作业示意图。

对2023年可能发生的世界科技热点事件,多家国际主流媒体进行了展望,均把中国空间站工程巡天望远镜(即“中国巡天空间望远镜”,英语简称“CSST”)列入其中,认为它的飞天将与美国发射新型火箭、启动小行星采矿任务等成为人类探索或利用太空新的年度里程碑。


(资料图片)

根据最新版的中国航天白皮书,在天宫空间站全面建成以后,我国将适时启动CSST发射、部署工作,开展更加广泛的天文调查。中国载人航天工程办公室曾向外界表示,我国首个大型巡天空间望远镜计划于2023年发射,开展广域巡天观测,将在宇宙结构形成和演化、暗物质和暗能量、系外行星与太阳系天体等方面开展前沿科学研究。

空间光学观测领域将升起的新星

说到天文望远镜,很多人第一时间想到的可能是“中国天眼”,即位于贵州平塘的500米口径球面望远镜(FAST)。作为我国近年来建成的重大科技基础设施,FAST以其超大的体量规模、优异的探索能力和丰硕的初期探测成果收获了超高的人气,享誉海内外。与FAST相比,CSST目前的知名度虽然不那么高,但是对于业内人士来说,它是一颗在光学望远镜开展天文观测领域正在冉冉升起的新星。

FAST与CSST之间除了知名度大小不同之外,当然还有诸多相异之处,其中最根本的区别在于它们分属不同的天文望远镜类型。

FAST是射电望远镜,接收的是天体发出的无线电波,而巨型球面镜就是其接收无线电波的天线,它把微弱的宇宙无线电信号收集起来,然后传送到接收系统中去放大,接收系统从噪音中分离出有用的信号,并传给后端的计算机记录下来。计算机记录的结果显示为许多曲线,供天文学家研究分析,从而获得各种宇宙信息。因为无线电波可穿透宇宙空间,所以射电望远镜不太会受光照和气候的影响,可以全天候、不间断地工作。

CSST是光学望远镜,捕捉的是近紫外至可见光波段,通过组成望远镜的直径大、焦距长的物镜和直径小、焦距短的目镜,实现远距离物体近处成像。这样,人们通过光学望远镜,就可以观察到很远的天体。由于受到地球浓厚的大气层、电离层、臭氧层和地磁场等综合因素影响,地基光学望远镜观测能力有限。随着航天科技的进步,消除上述因素影响的太空光学望远镜应运而生,这就是分别于1990年4月和2021年12月升空的哈勃太空望远镜和韦伯太空望远镜。中国巡天空间望远镜将紧随其后,成为人类新的“飞天巨眼”。

分为两大部分,拥有5大装备

CSST将是一个块头超大的太空飞行器,对其具体个头大小,中国空间站工程巡天望远镜科学工作联合中心主任、国家天文台副台长刘继峰曾这样描述:“大小相当于一辆大客车,立起来有3层楼高,口径为2米。”从目前披露的信息来看,巡天空间望远镜总长约14米,最大直径约4.5米,发射质量约16吨。

CSST巡天光学设施责任科学家、中科院国家天文台研究员詹虎介绍说,CSST主要分成两部分即“平台段”与“光学设施段”,前者其实就是CSST的“资源舱”,负责为其太空飞行提供动力,后者则是CSST主体载荷,包括5台观测设备,即巡天模块、太赫兹模块、多通道成像仪、积分视场光谱仪和系外行星成像星冕仪。

正如其名字所表明的那样,CSST的主要使命是“巡天观测”,也就是对天体进行普查,能够清晰、精细地观察到成千上万的星系,带来全景式宇宙高清图,因此该望远镜占据最主要观测时间的是巡天模块。据詹虎透露,“巡天观测”约占CSST运行时间的70%。

据中国科学院国家天文台研究员李然介绍,为了保障“巡天观测”成像质量和能够接收广阔视场的信息,CSST巡天模块安置了30块探测器,总像素达到25亿。其中18块探测器上设置有不同的滤光片,这使得它可以获得宇宙天体在不同波段的图像,留下彩色的宇宙样貌;另外12块探测器则用于无缝光谱观测,每次曝光可以获得至少1000个天体的光谱信息。在整个巡天周期里,巡天模块将会覆盖整个天空面积的40%,积累获得近20亿星系的高质量数据。

詹虎和李然在介绍CSST超强“巡天观测”能力的同时,强调其精细观测能力也很强。该望远镜配备的太赫兹模块、多通道成像仪、积分视场光谱仪和系外行星成像星冕仪都是精测模块,它们将依托各自特点开展系外行星探测、星系核心区域空间可分辨光谱观测,近邻星系中性碳研究,宇宙超级深场观测等众多特色科学观测。

更适于巡天,便于维护升级

同为太空光学望远镜,CSST与哈勃望远镜相比有什么特点呢?

对此,詹虎回答说,CSST更适于巡天,其巡天相机的镜片口径为2米,虽然略小于哈勃望远镜的约2.4米,但是其视场约是哈勃望远镜的300倍,可以比较快地完成大范围宇宙观测。李然打了个形象的比方:好比山上有一群羊,哈勃望远镜能看到其中一只羊,而CSST可以把成千上万只羊都拍下来,而且每一只的清晰度都和通过哈勃望远镜看到的一样。

CSST的巡天特长可以说是“与生俱来”的。作为我国载人空间站旗舰级项目,CSST是我国迄今为止最大的空间天文基础设施,在项目设计之初就瞄准了大视场、高像质、宽波段等方向。对此,李然解释说,哈勃望远镜是人类空间望远镜先行者,已经取得了丰硕的科研成果,CSST只有采取与之不同的创新设计,才能更进一步促进空间天文学的发展,进一步拓展人类认识的边界。创新设计可供选择思路有两种:一种是建造更大口径的太空望远镜,以看得更深,获得更暗弱天体的信息;另一种是建造可以观察更广阔天区的太空望远镜,以更高的效率巡天观测,更系统地研究宇宙空间。中国有关方面根据相关实际情况,为CSST选择了第二种思路。

CSST的另一个显著特点是与空间站相得益彰。从CSST的中文全称“中国空间站工程巡天望远镜”可以看出来两者之间的密切联系。具体来说,CSST以天宫空间站为太空母港,平时观测时远离空间站并与其共轨独立飞行,在需要补给或者维修升级时,主动与“天宫”交会对接,停靠太空母港,不仅能够保障其在10年寿命期内可以正常运行,有效避免出现类似哈勃望远镜遭遇故障约3年无法修复的情况,而且能够延长在轨寿命,实现超期“服役”。

历时10余载不断调整完善

CSST是中国科学家特别是光学、天文学界专家和航天科技工作者长期通力合作的结果。詹虎介绍说,2009年12月,中国载人航天工程空间应用系统的总部组织召开一系列研讨会,探讨空间站在微重力科学、天文学、生命科学、地球科学等领域的科学目标与研究方向,由此拉开了CSST项目的序幕。 2013年11月,CSST正式立项。

詹虎特别指出,根据立项时的方案,CSST是与空间站实验舱直接相连,但由此带来一些问题。比如,空间站组合体的姿态变化、结构形变以及各种振源对其形成的扰动都会使凝视观测的像质严重退化。再比如,空间站周围可能存在的污染环境和颗粒物、空间站大致对地定向的姿态其结构对观测方向的限制以及舱体和太阳帆板等各处表面产生的杂散光等因素,都不利于天文观测。鉴于此,2015年,该方案被调整为CSST与空间站共轨独立飞行并获得批准。之后经过遴选,CSST配备的巡天模块、太赫兹模块等5台仪器被确定下来。2022年4月,CSST初样研制进入关键期。当年底,初样鉴定件研制完成。据巡天光学设施总体主任设计师、中科院长春光机所研究员徐抒岩透露,在完成望远镜各个子系统、组件、单元集成测试试验工作后,即转入正样研制和飞行件的研制工作,随后与巡天平台集成开展联合试验,进行发射场测试,最后择机发射。

在CSST研制等工作紧锣密鼓推进的同时,观测数据处理准备工作已经着手推进。据李然介绍,CSST在全周期将会产生50PB的科学数据产品,有关部门已建立了一个由天文学家、数据专家和计算机专家组成的团队,致力于开发CSST科学数据处理系统,产生供全国乃至全世界天文学家使用的天文图像和星表,开展进一步研究。

有望为世界天文学发展作出重要贡献

CSST还未升空,但是其致力于打造的面向国际开放的、先进的空间天文台,将为人类认识世界提供新的可能性,吸引了全球科学家特别是天文学家、物理学家的目光。

在CSST科学工作联合中心网站上,人们可以看到CSST瞄准的7大科学目标,其中涉及宇宙学、星系和活动星系核、银河系及近邻星系、恒星科学、系外行星与太阳系天体等,每一项都指向当代科学最前沿。比如,利用CSST大天区巡天和超深场观测提供的丰富观测数据,对宇宙加速膨胀和暗能量、暗物质等进行研究,对星系的形态结构及其演化、活动星系与超大质量黑洞等进行研究。

李然表示,CSST有望帮助人类探索并解答关于宇宙的物质构成、结构、演化等基本问题。詹虎指出,天文探测能力的提升推动人类对宇宙认知,每次观测深度、广度、波段、测光精度等方面的突破,都会带来重大发现,甚至引发天文学和物理学革命性发展。CSST综合性能优异,在一些指标上大幅超越以往项目,在同期巡天项目中像质最好,近紫外波段的观测能力独一无二。李然满怀信心地表示,CSST不仅有望在宇宙加速膨胀机理的研究等方面取得突破,而且将打开更广阔的发现空间,为世界天文学的发展作出重要贡献。(记者 张保淑)

标签: 空间望远镜 光学望远镜 巡天观测


水浒全传1回原文阅读 网民称水浒应从课文中清除

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近日,有网民在浙江省人民政府网站建议“把《水浒》相关内容从中小学课文和课外读物中清除出去”。对此,浙江省教育厅教研室日前作出专门答复。

截图来源:浙江省人民政府网站

浙江省教育厅教研室在答复中表示,关于这个问题,自古就有“少不读《水浒》,老不读《三国》”的说法,知名学者此前也认为《水浒》“蕴含着毒气和血腥气”,可见来信的顾虑与担忧有一定道理。

对于为什么将《水浒》收入中小学课文,甚至提倡整本书阅读,浙江省教育厅教研室认为主要有以下三点考虑――

第一,《水浒》文学价值巨大。《水浒》是中国历史上第一部用白话文写成的长篇小说,开创了白话章回体小说的先河。可以说《水浒》是一部非常接地气、最能反映现实与人性的文学作品,书中很多创新之处,被后世文学争相模仿。仅从文法角度来说,全书“行文如行兵”,谋篇布局非常纯熟,将草蛇灰线法运用得淋漓尽致。

明代文学家金圣叹曾指出,水浒书中的十五种创新文法,包括倒插法、夹叙法、大落墨法、绵针泥刺法、弄引法等,这些写作手法直到今天,仍能常常看到。中学生通过阅读,可以从文本的语言、人物塑造和情节设计等方面赏析作品,提升语言技能和鉴赏水平。

第二,《水浒》是批判性阅读的好载体。《水浒》价值取向与现代文明不合拍,是阅读《水浒》不可回避的问题。但阅读《水浒》是否必会造成中学生误入歧途?目前并没有证据表明当代青少年误入暴力犯罪深渊,与《水浒》有直接的因果关联。就算退一步来说,如今阅读的渠道太多太多,但单靠“堵”的方式是解决不了根本问题的。堵不如疏,疏不如引,惟有理性地引导才是解决问题的关键。与随心所欲、听之任之,让学生个体“偷摸着自由阅读”相比,从另一个角度来说,《水浒》内容被选入教材,又何尝不是明智之举?

不能一味地强调其经典性而完全忽略对学生困惑的引导,也不能因为其充斥“暴力”等元素而因噎废食,应该让学生理解中国古典小说中的“精华”和“糟粕”,要以理性的态度来解读它,通过解读,实现解“毒”。所以,也要要求老师在教学中能够用准确的方式引导中小学生实行批判性阅读。批判性阅读能力,是未来的核心竞争力。实际上,很多老师在教学中已经注重批判性阅读与思维习惯的培养,也积累了一定的教学经验,这对学生阅读思维乃至个人发展是十分有利的。

第三,《水浒》蕴含着丰富的教育价值。这其实是前面两点的延伸。《水浒》没有给我们展现一个“正确”的世界,而是一个多样的世界。有善,有恶,有善与恶之间的种种不得已,幻想、隐忍、挣扎、妥协、反抗……一言一行背后都镌刻着人性的复杂。丰富且深刻的内核,是《水浒》被列入名著的理由,也是值得我们(包括中小学生)一读再读的根本原因。

中小学生该怎样阅读《水浒》这部名著呢?教学中,教师会引导学生读故事、读人物、读社会、读人性,如“庙堂失序与江湖理想”“个体失路的偶然与必然”“快意恩仇与暴力滥杀”等专题探究,学生带着这些思辨性的专题,并在教师的引导下去开展深度阅读,不仅能够进入文本深处,也能培养他们的个性阅读、独立思考的能力。

阅读可以丰富思想、增长才干,促进人的思想观念的现代化,但如果阅读仅仅读了文字却无思考,那么阅读就没有任何意义。学生通过批判性阅读的过程,能够有效筛选信息,“站出来”去分析思索深层意义,阅读才发挥了其真正的意义。所以,重要的不在于你“读了什么书”,而在于你“怎样把每本书读好”,有针对性地指导孩子阅读,让他们学会判断,在经典书籍(包括《水浒》)中吸取精华,才能真正让阅读为学生打好精神底色。

来源:新华社微信、浙江省人民政府网站、人民网-教育频道(记者:孙竞、李依环

编辑:王嵌

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