看“清”太陽的進(jìn)擊之路！

作者：胡平（中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所）

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID：kexuedayuan）

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太陽究竟長啥樣？太陽表面是什么樣？抬頭直接看顯然不現(xiàn)實(shí)，望遠(yuǎn)鏡有了巴德膜buff加成……太陽好像變成了一個(gè)平平無奇的小球，清晰度也完全不夠。去也去不了，看也看不清！別急，和大院er一起用太陽望遠(yuǎn)鏡看“清”太陽吧~

加了巴德膜望遠(yuǎn)鏡觀察下的太陽（圖片來源：維基百科）

為何要觀測太陽？

太陽是我們唯一能觀測到表面細(xì)節(jié)的恒星，這也使得太陽成為最重要的天文觀測對象之一。我們直接觀測到的是太陽的大氣層，它從里向外分為光球、色球和日冕三層。雖然就總體而言，太陽是一個(gè)穩(wěn)定、平衡、發(fā)光的氣體球，但它的大氣層卻處于局部的激烈運(yùn)動之中。太陽活動主要包括太陽黑子、耀斑、暗條或日珥和日冕物質(zhì)拋射等。

太陽活動對地球影響示意圖（圖片來源：維基百科）

太陽爆發(fā)會向日地空間拋射大量的電磁輻射和帶電粒子，與地球磁場相互作用后可能產(chǎn)生地磁暴（1989年魁北克大面積停電事件）和高能電子暴等災(zāi)害性空間天氣事件。太陽風(fēng)暴對技術(shù)裝備的影響涉及到航天器的安全運(yùn)行、無線通信、導(dǎo)航和定位系統(tǒng)、輸電網(wǎng)絡(luò)和輸油管道、天氣和氣候等多個(gè)方面。而太陽磁場是太陽風(fēng)暴的根本驅(qū)動力，也是太陽活動對行星際空間、地球空間以及人類活動產(chǎn)生影響的“幕后黑手”。因此，太陽磁場的測量便成了一個(gè)重要的科學(xué)問題。

太陽望遠(yuǎn)鏡≠夜天文望遠(yuǎn)鏡

夜天文望遠(yuǎn)鏡，顧名思義，是用于觀測除恒星外的星體的天文望遠(yuǎn)鏡，由于白天太陽光強(qiáng)過強(qiáng)，我們無法觀測到除太陽外的其它星體，這也是為什么星星只能在晚上看到的原因。那么，太陽望遠(yuǎn)鏡和夜天文所使用的望遠(yuǎn)鏡都有巨大的主鏡，它們的區(qū)別在哪兒呢？

太陽觀測（左）與夜天文目標(biāo)觀測（右）（圖片來源：IOE）

專業(yè)的太陽望遠(yuǎn)鏡可能有很長焦距的主要光學(xué)元件和在真空中工作的光路，這是為了排除望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部對流引起的氣流運(yùn)動對觀測的影響。太陽望遠(yuǎn)鏡在白天工作，望遠(yuǎn)鏡周圍的環(huán)境會被加熱引起湍流并降低分辨力，為了降低其影響，太陽望遠(yuǎn)鏡往往建在塔上，并涂成白色，甚至有的太陽望遠(yuǎn)鏡還坐落在湖邊。此外，針對太陽望遠(yuǎn)鏡的面臨太陽光聚焦所產(chǎn)生的過高熱量問題，每一個(gè)太陽望遠(yuǎn)鏡內(nèi)幾乎都有用來承受這種熱負(fù)荷并保持冷卻的部件以及完整的熱控系統(tǒng)。太陽望遠(yuǎn)鏡的熱控系統(tǒng)可以算是其與普通望遠(yuǎn)鏡的最大區(qū)別。

同樣的，太陽望遠(yuǎn)鏡也有很多種類。根據(jù)所處位置，可以分為地基太陽望遠(yuǎn)鏡和空間太陽望遠(yuǎn)鏡；根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)，可以分為折射式望遠(yuǎn)鏡和反射式望遠(yuǎn)鏡，不過由于大口徑的需要，現(xiàn)在主流的望遠(yuǎn)鏡都是反射式的；根據(jù)裝置類型，可分為太陽塔和水平式。另外，除光學(xué)太陽望遠(yuǎn)鏡外，還有射電、紅外、紫外等針對不同波段的太陽望遠(yuǎn)鏡。

不同分辨力下的太陽黑子（圖片來源：SPIE）

如圖展示了不同角分辨力下的太陽黑子照片，顯然在低分辨力的觀測中我們難以獲得其準(zhǔn)備信息，也不能很好地觀察其演化過程。

從歷史觀測我們知道，太陽活動區(qū)通常對應(yīng)1′~2′左右的視場區(qū)域，太陽大氣內(nèi)等離子體和磁場的相互作用影響需要分辨空間尺度在0.1′左右。而望遠(yuǎn)鏡衍射極限角分辨力由望遠(yuǎn)鏡的主鏡口徑所決定（θ =1.22λ /D ），因而為了能夠獲得更清晰的太陽表面細(xì)節(jié)就需要更大口徑的太陽望遠(yuǎn)鏡。

那么，是不是口徑越大望遠(yuǎn)鏡的分辨力就一定越高呢？事實(shí)并不是這樣。對于安裝在地球上的地基太陽望遠(yuǎn)鏡來說，由于地球大氣擾動的影響，無論望遠(yuǎn)鏡口徑多大，其分辨力僅相當(dāng)于15-30cm口徑望遠(yuǎn)鏡。

大氣擾動對望遠(yuǎn)鏡的影響（圖片來源：IOE）

為了解決大氣視寧度（望遠(yuǎn)鏡顯示圖像的清晰度）對地基大口徑望遠(yuǎn)鏡的影響，科學(xué)家們發(fā)展出了自適應(yīng)光學(xué)（AO）技術(shù)。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)是地基大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)高分辨力成像的主要手段，現(xiàn)在世界上的大口徑望遠(yuǎn)鏡幾乎都安裝有自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。它可以通過波前探測和波前校正器對大氣擾動產(chǎn)生的影響進(jìn)行物理校正，能夠極大降低大氣視寧度對望遠(yuǎn)鏡分辨力的影響。由于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)，才使得地基大口徑太陽望遠(yuǎn)鏡能夠朝著更大口徑發(fā)展。

從1米到4米

地基太陽望遠(yuǎn)鏡發(fā)展到今天，根據(jù)主鏡口徑大小可劃分為三個(gè)發(fā)展階段：1米級（及以下）太陽望遠(yuǎn)鏡、2米級太陽望遠(yuǎn)鏡和4米級太陽望遠(yuǎn)鏡。

國際太陽望遠(yuǎn)鏡發(fā)展（圖片來源：IOE）

下面我們先看看最初的1米級太陽望遠(yuǎn)鏡都有哪些。

荷蘭的開放式望遠(yuǎn)鏡（DOT）坐落在穆查丘斯羅克天文臺，是一架主鏡口徑45cm的太陽望遠(yuǎn)鏡，它的成就之一是在2004年的金星凌日錄制了可以觀賞的影片。

金星凌日（圖片來源：NASA）

日本京都大學(xué)飛彈天文臺建立的60cm反射式無圓頂太陽望遠(yuǎn)鏡（DST），旨在以最高的空間分辨率獲取太陽表面圖像。從建成到近年，無圓頂太陽望遠(yuǎn)鏡在觀測引發(fā)太陽爆發(fā)事件的機(jī)制以及空間等離子物理中的其它現(xiàn)象方面做出了巨大的科學(xué)進(jìn)步。

中國也緊隨其后，90年代，多通道太陽望遠(yuǎn)鏡（口徑35cm）建成，位于中國科學(xué)院國家天文臺懷柔太陽觀測基地，由五個(gè)不同功能的望遠(yuǎn)鏡組成。該望遠(yuǎn)鏡是我國獨(dú)創(chuàng)的，能同時(shí)測量太陽不同層次、不同尺度的矢量磁場、速度場、通過光譜掃描獲得光譜線輪廓和斯托克斯參數(shù)輪廓、高時(shí)間和高空間分辨率、高靈敏度的高科學(xué)含量綜合望遠(yuǎn)鏡。

21世紀(jì)以來，歐洲有許多新的望遠(yuǎn)鏡取代了以前的舊望遠(yuǎn)鏡。2002瑞典1米太陽望遠(yuǎn)鏡（NSST）開始工作。瑞典1米太陽望遠(yuǎn)鏡由瑞典皇家科學(xué)院太陽物理研究所運(yùn)營，是當(dāng)時(shí)歐洲最大的太陽望遠(yuǎn)鏡，在高空間分辨率上是世界第一。其位于加納利群島拉帕爾馬山的穆查丘斯羅克天文臺，結(jié)合了高光學(xué)質(zhì)量、自適應(yīng)光學(xué)和先進(jìn)的圖像恢復(fù)技術(shù)。

云南NVST望遠(yuǎn)鏡（圖片來源：云南天文臺）

中國在望遠(yuǎn)鏡精度和口徑方面也在快速發(fā)展，2009年，1米真空太陽望遠(yuǎn)鏡（NVST）在中國科學(xué)院云南天文臺撫仙湖觀測站建成，是一架地平式望遠(yuǎn)鏡，于2012年正式運(yùn)行。其主要科學(xué)目標(biāo)是在0.3~2.5微米波段對太陽進(jìn)行高分辨率成像和光譜觀測，包括測量太陽磁場的精細(xì)結(jié)構(gòu)、高時(shí)空分辨率的演化過程。

美國大熊湖太陽觀測站（圖片來源：SPIE）

然而美國在太陽望遠(yuǎn)鏡的研制上很長一段時(shí)間內(nèi)都處于領(lǐng)先地位。2008年，美國大熊湖太陽觀測站建造的古德太陽望遠(yuǎn)鏡（Goode Solar Telescope,GST）是世界首臺兩米級太陽望遠(yuǎn)鏡，在十多年里是世界上口徑最大、分辨率最高的太陽望遠(yuǎn)鏡。GST能夠在可見光到近紅外波段觀測太陽，具有1.6米有效口徑，采用了離軸格里高利光學(xué)系統(tǒng)，應(yīng)用了自適應(yīng)光學(xué)和主動光學(xué)技術(shù)。該望遠(yuǎn)鏡主要用于在高時(shí)空分辨率下研究太陽耀斑；在耀斑活躍區(qū)研究磁場的結(jié)構(gòu)和演化；研究太陽光球?qū)又写艌鰪?qiáng)度為千高斯的磁流管的動力特性；研究太陽黑子區(qū)磁發(fā)電機(jī)對流等。

德國GREGOR望遠(yuǎn)鏡 （圖片來源:SPIE）

2012年由德國太陽物理研究所等科研機(jī)構(gòu)研制的主鏡口徑為1.5m的GREGOR太陽望遠(yuǎn)鏡建成。GREGOR采用了3鏡式同軸格里高利光學(xué)系統(tǒng)，開放式結(jié)構(gòu)。該太陽望遠(yuǎn)鏡主要任務(wù)是通過對太陽的高精度偏振測量，從而得到太陽磁場的空間分布，進(jìn)而研究改樣磁流的出現(xiàn)、演變和消亡；研究太陽黑子的能量補(bǔ)償；研究太陽色球等。

在我國，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所研制從2013年開展1.8米太陽望遠(yuǎn)鏡（CLST）設(shè)計(jì)及研制工作，先后在國內(nèi)首次突破主鏡熱控、低對比度擴(kuò)展目標(biāo)波前探測等一系列關(guān)鍵技術(shù)，并于2019年12月成功實(shí)現(xiàn)首光，獲取到太陽大氣光球?qū)雍蜕驅(qū)咏苌錁O限高分辨力成像結(jié)果。

正在觀測的CLST望遠(yuǎn)鏡 （圖片來源：IOE）

這是我國首套2米級太陽望遠(yuǎn)鏡，也是在美國4米太陽望遠(yuǎn)鏡DKIST正式運(yùn)行前，國際上已建成的最大口徑太陽望遠(yuǎn)鏡。未來該太陽望遠(yuǎn)鏡還將配備太陽多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、太陽活動區(qū)高分辨力磁場和速度場探測系統(tǒng)等，以獲取更全面的太陽活動監(jiān)測數(shù)據(jù)，為太陽活動的發(fā)生、發(fā)展演化提供更精確更詳實(shí)的觀測數(shù)據(jù)。

CLST高分辨力觀測結(jié)果（左為光球?qū)樱覟樯驅(qū)樱?（圖片來源：IOE）

除了已建成的1.8米太陽望遠(yuǎn)鏡CLST之外，我國還在籌建2臺新的大口徑太陽望遠(yuǎn)鏡，分別是2.5米多功能太陽望遠(yuǎn)鏡和8米環(huán)形太陽望遠(yuǎn)鏡，暫選址海拔4700米以上的四川稻城無名山，它們將共同推動我國太陽大氣高分辨力探測技術(shù)及相關(guān)物理研究的進(jìn)步。

國際上，美國研制了一臺口徑4米的太陽望遠(yuǎn)鏡——4米級丹尼爾·井上太陽望遠(yuǎn)鏡（DKIST），設(shè)備經(jīng)過調(diào)試安裝，于2019年12月獲得階段成像結(jié)果。根據(jù)DKIST研制計(jì)劃，該太陽望遠(yuǎn)鏡已于2020年正式投入運(yùn)行。耗資3.44億美元、歷時(shí)20年研制的DKIST將把人類對太陽的探索帶入新的發(fā)展階段。

DKIST望遠(yuǎn)鏡（圖片來源：SPIE）

最清晰的太陽照片（圖片來源：維基百科）

此外，歐洲太陽望遠(yuǎn)鏡協(xié)會（EAST）2007年倡議建一個(gè)4米級地面太陽望遠(yuǎn)鏡（EST），暫選址canary群島，與DKIST在地理區(qū)位上形成互補(bǔ)。EST太陽望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)過程一波三折，建設(shè)計(jì)劃一度夭折，最終在2016年由西班牙牽頭、歐盟等28個(gè)國家共同參與重啟建設(shè)計(jì)劃，經(jīng)費(fèi)預(yù)算2.6億歐元，預(yù)計(jì)2026年建成。

太陽望遠(yuǎn)鏡的未來

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授、中國科學(xué)院太陽活動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任田暉表示：“大口徑的地面太陽望遠(yuǎn)鏡主要是對太陽光球?qū)雍蜕驅(qū)拥木?xì)結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特征進(jìn)行觀測，這些結(jié)構(gòu)及其演化特征與太陽磁場的產(chǎn)生和演化、日冕百萬度高溫的產(chǎn)生和維持、太陽爆發(fā)的機(jī)制等科學(xué)問題緊密相關(guān)。”

回顧世界上太陽望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展歷程后，我們不難看出，在整個(gè)發(fā)展歷程中，太陽望遠(yuǎn)鏡一直在朝著大口徑發(fā)展；不僅如此，在口徑變大的過程中，太陽望遠(yuǎn)鏡上裝配的測量觀測儀器也越來越多，精度越來越高。并且，由于大氣視寧度的影響，大口徑太陽望遠(yuǎn)鏡都不得不加裝自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)；因而天基太陽望遠(yuǎn)鏡也是另一個(gè)重要的發(fā)展方向，其在太空中望遠(yuǎn)鏡可不受大氣視寧度的影響。

即使如今，我們對太陽的觀測程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，亦不能足夠精準(zhǔn)地預(yù)測太陽的活動；因此，對太陽的科學(xué)觀測仍然任重道遠(yuǎn)！