李川 擦亮中国的“观日之眼”

华南

太阳，是地球的母星。太阳的活动时刻影响着地球附近的空间环境，地球的生命演化也和太阳息息相关。

肉眼所见的太阳，光芒四射。但有一群人，致力于探究太阳光芒里的未知。南京大学天文与空间科学学院教授、“羲和号”卫星科学与应用系统总设计师李川，就是他们中的一员。

12月14日，“中国青年科技工作者日”全国活动月暨中青科协成立30周年主题活动现场，李川作了《羲和逐日新征程 九霄寻梦再问天》的演讲，分享“羲和号”探日卫星设计，以及研发团队以浩瀚星辰为征途，为解开更多宇宙奥秘而不断奋斗的经历。

2023年10月，“羲和号”科学与应用系统所在地——南京大学太阳科学数据中心依据“羲和号”追日两年来的最新观测数据，首次制作成太阳表面壮观景象的科普视频，并发布了一系列原创性科研成果，为揭示太阳爆发机制提供更多证据。

“羲和号”全名太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星，由国家航天局批复立项，由南京大学、中国航天科技集团有限公司第八研究院、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所等单位联合研发。自2021年10月14日发射以来，在距离地球高度为517公里的太阳同步轨道运行。“‘羲和号’每天绕地球15圈，大约每95分钟绕地球一圈，每圈观测太阳大约30分钟”，李川介绍。

“羲和号”主要科学载荷是Hα成像光谱仪，太阳的光球层是我们肉眼可见的部分，厚度约500公里，色球层则在光球层上大约1500公里的范围内。Hα是研究太阳活动在光球和色球响应时最好的谱线之一。“羲和号”上的Hα成像光谱仪的空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率综合指标达到了国际先进水平。

“羲和号”通过光谱扫描成像，一次扫描只要46秒，就能获得太阳全日面约1600万个点的光谱，获得300余个波长点的太阳图像，光谱分辨率可以达到0.0024纳米，相当于给太阳大气做了一次CT，获取了从光球到色球的细致切面。

两年多来，南京大学太阳科学数据中心已经获得超过400TB的高质量科学数据。“羲和号”卫星的成功发射，打破了我国没有第一手太阳空间探测数据、依赖国外卫星数据的被动局面。目前，这些卫星数据完成标定后，已对全世界科学家共享。

利用“羲和号”高质量的科学数据，国内外学者已经取得了一系列原创性研究成果。包括首次在Hα附近的中性铁谱线上观测到强烈的白光耀斑、首次定量获得了不同层次太阳大气自转的速度、首次获得了中性硅谱线物理参数在日面上的分布、首次利用全日面光谱开展Sun-as-a-Star的研究等。2023年8月，国际著名天文期刊《天体物理学杂志快报》刊发热点专辑，集中报道“羲和號”首批研究成果，“这是中国天文观测设备首次以专辑形式在该期刊发表研究成果。”李川说。

2008年，李川从南京大学天文学系毕业，并获得南京大学和巴黎第十一大学理学博士学位。同年，他赴伦敦大学学院穆兰德空间科学实验室（Mullard Space Science Laboratory）进行博士后研究，2011年回国，入职南京大学天文与空间科学学院。

2015年，任职副教授的李川，被中国科学院院士、南京大学天文与空间科学学院教授方成问道：“想不想来做一颗探测太阳的卫星？”

当时，国际上已近70颗与太阳探测相关的卫星，但我国这个领域尚属空白。“我们没有任何经验，也完全不知道从何开始，实际上是很有挑战的。”李川说。

那时，李川有自己的科研方向和正在进行的课题，按照当时的考评体系，他必须在规定时间内发表相应的文章，才能晋升职称。如果转向太阳探测卫星，从一片全新的领域起步，短期内可能无法发表论文。

“当时这个项目完全不确定能否获得国家立项，我确实犹豫过。”李川笑着说。但最终，他为了解决我国太阳物理研究严重依赖国外卫星数据的“卡脖子”问题，全身心投入到这颗象征着中国对太阳探索缘起的试验卫星研发事业中。

“方成老师是我的榜样，他给我很大激励。”1955年，方成进入南京大学天文系读书。初入校门时，“向科学进军，做天文事业的拓荒者”的大字标语让他激动不已，从此扎根于此。1958 年，南京大学天文系师生决心建造中国第一座塔式太阳望远镜，简称“太阳塔”。作为选址的孝陵卫，当时是一片荒无人烟的山包，没有水电和道路，方成就和其他几位老师在那里轮流值守，自己盖茅草房，从山下挑水到山上，用小煤油灯烧饭，用几乎原始的生活方式在那里熬过了一年半。李川说：“方成老师他们就是在那样一无所有的环境中，完全不计个人得失、艰苦卓绝地奋斗，最终历时22年时间，实现了我国太阳物理设备的重大突破。”这种精神激励着他，他愿意继续为中国天文事业的突破创新而奋斗。

2019年，经过四年的各方论证，“羲和号”卫星正式获得国家航天局立项。“方成老师全程参与和主持了项目研发，与我们一起出差、论证、计算、攻关，事无巨细，非常辛苦。直到现在，方成老师已经80多岁了，每天仍工作在第一线，也在全程跟踪指导‘羲和号’的数据标定和科学研究。”李川说。

“解决‘卡脖子’难题，重在突破创新，不但不能重复国外的工作，还要有突破点。”最终，研制团队在国际上首次采用了“动静隔离非接触”总体设计新方法，为卫星建立了双超平台，使载荷舱内望远镜更稳定；另外，他们将望远镜设计为全日面的光谱扫描，也就是CT式的扫描，这是以前没有的。“只有有所突破，才能得到更加独特的数据，也才能为科研提供新的探索空间。”

立项后，卫星发射时间被定为2021年10月，李川与团队自此开始了两年多的“魔鬼式”科研。每一周或两周到合作单位进行对接，几乎每天都要开碰头会，“视频会、线下会、电话会……各种形式的会议，无数次论证、细节修改、碰撞，最终达成共识，再共同奔赴。”

让李川印象深刻的，还有发射前的地面观测测试。在中国科学院南京天文光学仪器研究所的实验室里，连续几天的测试，正好赶上连阴天，得不到测试数据。这让李川十分着急，“这组技术指标测试非常重要，卫星探测的数据不能直接给科研人员做研究，而是要通过我们定标，也就是把原始数据做成科研需要的科学数据。而这次测试，正好与此相关。”

如果不能及时完成测试，则有可能赶不上预计的发射窗口期。幸好千钧一发之际，南京有了半天晴天，卫星团队抓紧宝贵的时间，完成了测试。

类似突发情况、紧急事件，在“羲和号”研发期间，李川和团队遇到太多。“但这就是科学探索之路，漫长而艰辛，要耐得住寂寞，要经得起挫折。”

2021年10月14日，太原卫星发射场，李川目送“羲和号”发射成功，中国也由此正式开始了空间探日时代。2021年10月24日，“羲和号”正式“睁开双眼”，实现了初光观测。2022年8月3日，“羲和号”正式完成在轨调试，获得国际最佳的全日面光谱成像数据。

由于在“羲和号”这项国家重大工程中的突出贡献，2022年，李川在职称评审和答辩中获得校内外评委一致认可，顺利晋升为教授。《“羲和号”实现高精度太阳Hα光谱成像空间探测》也荣获2022年度江苏省行业领域十大科技进展。

在轨运行两年多以来，“羲和号”源源不断将探测数据返回地面。南京大学研发团队与卫星系统、测控系统和地面系统联合开展在轨测试工作，“从数据看，卫星在轨运行状态良好，很有希望工作至2026年前后的太阳活动峰年。”

“我们数据网站上太阳的图像，颜色很漂亮，但这不是卫星传输回来的图像，而是我们天文学家在数据处理后赋予图像的颜色。我们接收的数据是二进制数据，从原始数据到科学数据，需要经过复杂的处理过程。”李川说，数据分析处理没有太多可以参照的方法，需要不断试错、寻找最佳方法，不断迭代达到最佳的阶段，“卫星发射后，我们每周都会交流各自任务中的问题，规划下一步工作。我们既有压力更有动力，不能有丝毫懈怠。”

“羲和号”这项重大工程的成功来之不易，通过任务实施，南京大学也磨炼出了一支兼具科学探索和工程实践能力的优秀队伍。在李川看来，随着我国大型科研项目不断落成、运行，对工程类科研人员的需求也越来越大。“羲和号”科学与应用系统的副总设计师李臻高工，就对卫星的数据处理和科学数据中心建设作出了很大贡献。“我们培养青年科研人才，要因材施教、用其所长。”李川说，有些人适合开拓性、创新性的工作，就可以侧重向科研创新方面发展，有的人适合数据收集、整理分析这类科学工作，就可以朝着数据科学家方向努力。“重大科学工程涉及方方面面，各领域协同合作才能取得更多科学成果。”

目前，南京大学科研评价体系的理念和导向也在不断改革，从2014年提出做问题导向的原创研究，到2018年提出构建“三位一体原创驱动式”科学研究新模式，“建立以科技创新质量、学术贡献为导向的评价体系”逐步完善，科研人员有机会在创新链条上走得更远。

在李川眼中，太阳也有“情绪”，有时平静，有时“躁动”，但不论什么样子的太阳，都魅力无穷，“太阳是距离地球最近的恒星，是唯一可以实现高时空分辨率观测的恒星。它是我们了解宇宙的一个窗口，通过对它的观测和研究，可以了解一些基本的天体物理过程。”

作为位于太阳和地球连接线上、绕地球运行的探测卫星，“羲和号”也存在一定技术局限。“从地球的方向来看，探测到的各类爆发都只是太阳活动在天空背景下的投影，既不能较好地研究太阳的三维结构，也无法很好地预测太阳爆发活动对地球的影响。”

为了弥补遗憾，目前，南京大学团队在“羲和号”卫星成功发射的基础上，推动实施日地L5太阳探测工程，即“羲和二号”。“目前這项工作正在进行论证。”李川说，“太阳系里面一共有五个日地平动点，距离地球约1.5亿公里的L5点，位于与太阳和地球呈等边三角形的位置，且在太阳自转的上游，因此是最适合的太阳观测点。”发射卫星到日地L5点探测，结合近地观测，可实现太阳活动现象的三维重构，有望开启我国的立体探日时代，可深入探索太阳活动区磁场的起源和演化、揭示太阳爆发的物理机制、传播规律和对地响应，还能够提前四至五天观测到即将面向地球的太阳活动，实时追踪面向地球的太阳爆发，给空间天气预报带来革命性突破。

习近平总书记给南京大学留学归国青年学者的重要回信中提出希望，“在坚持立德树人、推动科技自立自强上再创佳绩”。李川说，“科学报国”是南大的传统底色。“我们面向国家重大战略需求的责任意识从未改变。论证和研发‘羲和号’，我们六年磨一剑。截至目前，日地L5点尚为国际探测空白。太阳活动有11年的周期，我们希望到2026—2027年，太阳活动周期最活跃的时候，‘羲和二号’探日卫星能够填补这个空白。”

责任编辑 赵汉琪