孙天然:捕捉太空中的微笑

——中国空间科学学会孙天然的成长故事

简介

  孙天然,女,博士,中国科学院国家空间科学中心研究员、博士生导师,
主要从事太阳风-磁层耦合的模拟和观测研究。

2017-2019年内新增科研项目5项,包括主持国家自然科学基金面上项目一项,作为课题负责人参与自然科学基金重点项目1项、中科院空间科学先导专项2项、中科院前沿学科重点项目1项。 获得专利授权1项。2017-2019年内发表文章9篇,其中SCI文章7篇,一作/通讯作者文章5篇,5篇文章均发表在空间物理领域最有国际影响力的专业学术期刊(JGR/GRL)上。通过科学网等平台的视频宣传SMILE卫星及其相关工作。

三年内新增学术任职:1. 2018年, SMILE模拟工作组 共同主持;2. 2019年, SMILE科学应用系统综合规划与支持分系统 主任设计师;3. 2019年, SMILE卫星X射线成像仪 共同负责人(co-PI)。2018年,入选中美空间科学青年领军人物论坛。

太阳大气会向外吹出带电的等离子体和电磁场,称为太阳风。太阳风及其携带的高能粒子如果直接打到地球表面,可能会对通讯导航、输电设备、航天器安全等造成巨大威胁。地球的内禀磁场在太阳风作用下形成磁层顶,就像一把巨大的保护伞,阻挡着来自太阳的高能粒子直接打到地球上。所以对于太阳风-磁层相互作用的研究一直是磁层物理研究的前沿课题,具有重要的科学和应用价值。

孙天然从2007年进入中国科学院研究生院起,一直从事太阳风与地球磁层相互作用过程的研究。2014年协助中欧双方主要负责人提出太阳风-磁层相互作用全景成像卫星计划(即SMILE/微笑卫星计划)。SMILE计划于2016年立项,获得中国科学院和欧州空间局的联合支持。

2017年,孙天然入选中国科协的第三批青年托举工程。青年托举工程是个支持青年人努力探索、求实创新的平台,在这一平台的支持下,她在地球磁层X射线成像和磁层顶位形反演方面取得重要突破。

当太阳风中的重离子与近地空间的中性成分发生碰撞,二者之间将会发生电荷交换,并且释放出光子。利用软X射线成像仪可以对该光子进行探测。在太阳风被压缩的磁鞘区和两个漏斗状的极尖区内,X射线的强度更高,从而在X射线成像图上形成笑脸形状,即来自太空的微笑。这种对磁层顶进行成像探测的技术是前所未有的创新。然而如何从二维的成像图中提取出对空间物理研究至关重要的三维磁层顶位形信息则是一项巨大的挑战,在SMILE卫星计划发射后,这将成为从卫星观测数据到空间科学产出之间的瓶颈。因此,孙天然选择了由二维成像图到三维磁层顶位形反演这样一个具有挑战和创新性的研究方向。

在导师团队的指导下,孙天然及其合作者开展了三维磁层顶位形反演方法的研究。通过不断地努力、反复探索和试验,孙天然及其合作者成功实现了对磁层的X射线成像图的模拟仿真,捕捉到了来自太空中的微笑(成像图像一个笑脸,这也是SMILE计划logo的来源)。更困难的工作是从图像到三维磁层位形的反演研究,但是孙天然坚持攻关克难,最终基于太阳风-磁层相互作用的磁流体力学模拟程序,提出了两种从成像图到磁层顶位形的反演方法并对其反演效果结果进行比较,突破了从卫星观测数据到空间科学产出之间的瓶颈,为SMILE卫星计划科学目标的实现奠定了基础。此后,孙天然进一步针对更加复杂的极尖区位形进行反演方法的研发,提出了可行的极尖区信息提取方案。在今后的研究工作中,孙天然及其团队将针对磁层顶和极尖区的反演方法进行程序化、模块化,为SMILE卫星的科学应用系统建设以及基于SMILE观测数据的科学发现打下基础。

在青年托举工程平台的支持下,经过3年的研究,孙天然提出了两种由二维X射线成像图反演三维磁层顶位形的新方法,比较总结了各方法的适用范围,在SMILE卫星计划的预研工作中攻破了从卫星数据到科学产出之间的瓶颈,为该计划科学目标的实现打下了基础。孙天然也成长为研究员、博士研究生导师,指导2名研究生,作为第一作者/通讯作者在地球物理学核心SCI期刊(美国地球物理研究和地球物理研究快报)发表论文5篇,主持国家自然科学基金面上项目1项,且作为课题负责人参与中科院先导专项、基金委重点项目等4项,直接负责经费1850万,在中欧联合空间科学卫星项目SMILE里担任X射线成像仪共同负责人(co-PI)、科学应用系统综合规划与支持分系统的主任设计师、以及模拟工作小组主持人。在今后的工作中,孙天然将继续秉承大胆创新、严谨治学的信念,为空间物理学的发展和空间技术应用做出力所能及的贡献。