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日冕觀測進化史--日食太少,我們就造一個出來!

放大字體??縮小字體 時間:2021-07-31 12:47    熱度:66
作者:張雪飛 劉煜 趙明宇(中國科學院云南天文臺)  監制:中國科學院計算機網絡信。。。
作者:張雪飛 劉煜 趙明宇(中國科學院云南天文臺)

  監制:中國科學院計算機網絡信息中心

  “夕日缺虧彎似月,百年不遇現皇都”。

  日食是一種比較稀有的天文現象,日全食就更為罕見。作為日食中最完美的現象,每一次日全食都是一場“天文盛宴”,被世界各地的天文工作者視為解開太陽物理領域諸多謎題的良好時機。

  

  圖1. 日全食時觀測的日冕綠線和日冕紅線結構(Hubbal et al.2011)

  現在,隨著科學技術的迅速發展,罕見的日全食觀測,或許將不再“罕見”。

  日全食,天文學家的“盛宴”

  日全食,就是在地球上某一位置的太陽光被月亮完全遮住的天文現象。

  當日全食發生時,最光輝燦爛耀入眼睛的是“貝利珠”。其實,這是從月亮邊緣起伏的山谷中穿過來的日光。

  

  圖2. 日全食時的“貝利珠”現象(圖片來源:Veer圖庫)

  但日全食最主要觀測的是日冕,因為日冕的活動對地球有重要影響,而且研究日冕是解決太陽物理領域重大未解之謎的必經之路。

  那么,什么是日冕呢?

  

  圖3.太陽結構(圖源:Wikipedia)

  我們肉眼可見的是光球層,而日冕是太陽大氣的最外層,起始于色球層之上,向外一直延伸到行星際空間,形成連續向外流動的太陽風。

  俗話說得好,“外行看熱鬧,行家看門道”。當日全食發生時,對天文學家而言,真是觀測的好機會,可以做太多太多研究了!

  比如:測算太陽輻射對地球電離層的影響;研究日冕復雜的形態學和活動現象;開展日冕區域的電子密度和溫度研究;尋求太陽耀斑和日冕物質拋射觸發機制的觀測證據;尋找太陽黑子變化的成因;查證太陽磁場與日冕結構和活動的相互作用;深入探索影響近地空間環境和驅動日地空間災害性天氣的源動力,為災害性空間天氣預報提供基礎數據。

  

  圖4. 日全食是開展太陽物理研究的好機會(圖片來源:Veer圖庫,編輯有改動)

  可惜的是,這種“良機”不是天天有。而且,真正全食的持續時間其實很短,對于天文研究人員來講,能獲取的數據量遠遠不夠。

  怎么辦呢?

  機會少,那我們就創造機會!一種“人造日全食”的方案,被提了出來。

  數量不夠,人造來“湊”

  天文學家通過“人造月亮”,研制了一種特殊的天文望遠鏡——日冕儀,開啟了非日全食時的日冕觀測時代。

  對于解決日冕物質拋射的產生問題,以及為日冕加熱等科學問題尋找答案來說,日冕儀的出現都意義非凡。

  簡單說,可以把它理解成一種安裝了遮擋盤的望遠鏡,功能就是在沒有日全食時,通過儀器的特殊結構模擬太陽在日全食時的影像,進行日冕觀測。

  傳統的日冕儀按組成結構可分為:內掩式、外掩式。

  內掩式日冕儀是將物鏡放置在望遠鏡前端,在物鏡成像的一次像面處設置一遮擋板(內掩體),該遮擋板就相當于日全食時的月亮。壯觀絢麗的日冕光通過二次成像系統,就能進入我們的視線。

  它長下面這樣:

  

  圖5. 傳統內掩式日冕儀成像原理示意圖(袁鴻昌等,2019)

  外掩式日冕儀是在物鏡前端安置遮擋板(外掩體),遮擋太陽直射光,日冕光經物鏡一次成像后,進入準直系統,并經二次成像系統,盡收眼底。

  用日冕儀觀測到的日冕是這樣的:

  

  圖6. 數據由麗江日冕儀觀測站提供

  日冕儀雖好,卻不容易造,也不是萬能的

  和朋友聊天的時候,經常會聽到大家對日冕儀的一些誤解。

  比如,不少人會說,這日冕儀可太好了,有了它,豈不是每天都可以看日全食,Paper發不停?

  當然不是!

  首先,“人造日全食”并不容易。它需要攻克兩項關鍵技術:一是日冕儀雜散光的抑制能力,二是為日冕儀的地面觀測選擇臺址。

  在觀測中,除了我們想要觀測的日冕的光,其他光都是雜散光,包括太陽直射光,玻璃材料不夠純凈、有雜質引起的散射光,甚至光學組件邊緣的衍射光,等等。在設計日冕儀的時候,需要進行建模分析,通過設置掩體、運用高精尖拋光技術、選用優質玻璃等種種操作,把雜散光盡量消除。

  但是,因為日冕的亮度比太陽光球層要暗很多(我們一般用B⊙表示日面中心亮度,日冕能暗到10-5~10-13B⊙),所以難度非常大。

  日冕儀組裝完成后,距離“人造日全食”就更近一步了。

  不過,要想成功獲得“人造日全食”,還有關鍵一步,就是需要優良的日冕儀觀測臺站。

  看太陽,還需要挑選地方?

  當然!

  日冕光從太陽傳輸至地面日冕儀的入射窗口,其實可以分為兩個過程:第一階段是日冕光經行星際空間傳輸至地球大氣上界;第二階段是經地球大氣,從地球大氣上界傳輸至地面日冕儀窗口。

  

  圖7. 日冕可見光輻射中K、F、E冕分量隨高度的變化(涂傳詒等.2020)

  在第一階段,日冕光不受地球大氣擾動影響,可以認為很穩定。在第二階段,日冕光經大氣上界傳輸至地面日冕儀窗口,主要受到大氣散射和氣溶膠吸收的影響。即使在一些空氣非常稀薄的高山上,大氣散射的量級也能達到10-5-10-6B⊙。

  所以,在地面上開展日冕儀觀測,必須進行日冕儀臺站選址工作。

  我國日冕儀研究起步雖晚,正在加速追趕中

  其實,早在1930年,世界上第一臺日冕儀就誕生了。

  

  圖8. 法國人B.Lyot在開展日冕觀測(圖源:Wikipedia)

  法國人B. Lyot發明了內掩式日冕儀,在海拔2870米大雪之后的比利牛斯山上,成功觀測到日冕,這是人類向“人造日全食”邁出的“里程碑”式一步。

  自此之后,隨著觀測目標和加工工藝的不斷改進,瑞士、德國、美國、俄羅斯等國家先后將日冕儀作為地面常規設備,開展了日冕連續觀測。日冕儀的探測視場、時間/空間分辨率、雜散光抑制水平不斷提高,并由地面觀測步入了自主空間探測。

  目前,日冕儀已經成為太陽物理和空間天氣科學研究和監測的必不可少儀器。

  那么,我國的日冕儀研究狀況如何呢?

  與發達國家相比,我國日冕儀研制起步較晚,最早的日冕儀研制始于南京。1959年6月由南京大學組織在甘肅祁連山朱龍關地區開展日冕儀測試,但受到了當時儀器簡陋和觀測環境的限制,未能成功拍攝到日冕圖像。

  幾十年后,我們中國西部太陽選址隊伍攜帶科學設備先后考察了新疆、西藏、寧夏、青海、四川和云南等省市的60多處址點。通過科學分析,結合交通、氣象氣候要素、地理地質條件、社會和人口發展等方面的統計數據,獲得了數個較理想的日冕儀臺站候選點。

  如今,在國際合作的基礎上,我們于2013年在海拔3200米的云南天文臺麗江天文觀測站完成了日冕儀的建設。這不僅開啟了我國非日全食時的日冕觀測,而且證明了我國西部高海拔地區的確存在符合地基日冕儀觀測的優良址點,為我國日冕儀的研制,夯實了基礎。

  經過對日冕儀不斷升級改造,并與國內重點大學、研究所開展交流合作, 2017年,團隊又完成了麗江日冕儀高海拔實驗基地的建設。同時,團隊還集中了優勢力量開展與山東大學(威海)、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、中國科技大學、國家天文臺、紫金山天文臺等單位的合作。

  功夫不負有心人,2018年10月22日,我國自主研制的日冕儀樣機在麗江日冕儀高海拔試驗基地成功獲得了綠線日冕圖像!

  這次試驗的成功是我國在日冕儀關鍵技術上的歷史性突破,標志著我國已經步入國際日冕儀研制梯隊。

  雖然取得了這樣的突破,但科學家們心里都非常清楚,我們和國際第一梯隊還有不小的距離。因此,在成功獲得日冕圖像后,科學家們馬上投入了新的研究。

  這一次,他們將目光投向了太陽K冕亮度的研究。

  K冕由日冕中自由電子散射太陽光球層的直射光而形成,K冕的亮度能夠反映日冕中自由電子和離子密度的分布。太陽爆發活動中的日冕物質拋射,是日冕物質在較短時間內被大規模拋出太陽表面的現象,是太陽大氣中最劇烈的爆發活動,也是來自太陽最大規模和最具破壞性的爆炸。日冕物質拋射攜帶了大量日冕等離子體,其密度的動態變化與K冕形成機制極為相關,K冕的觀測具有重要科學研究價值。

  K冕觀測對日冕儀雜散光抑制水平和日冕儀臺站的觀測條件要求非常高,兩者缺一不可。因此,能夠觀測到K冕,是日冕儀研究達到高水準的一種標志。

  為探究太陽K冕亮度,分析日冕自由電子和離子的密度擾動,就需要研制白光日冕儀。依托云南天文臺承擔的中科院先導A“鴻鵠專項”子課題“日冕儀臨近空間搭載實驗”實驗任務,研究人員在海拔近4800米的四川甘孜州稻城縣不斷進行著試驗與改進。

  

  圖9. 四川省甘孜州稻城縣無名山日冕儀試驗

  終于,2021年,由我國自主研發的白光日冕儀在稻城縣的無名山成功獲得日冕白光像!

  

  圖10. 我國科學家在四川省稻城無名山首次獲得日冕白光像

  白光日冕儀的成功試驗,為K冕研究提供了觀測數據,在我國尚屬首次,標志著我國的日冕儀研制技術又邁上了新的臺階!

  從無名山走出的奇跡還將繼續

  “操千曲而后曉聲,觀千劍而后識器”,科技創新沒有捷徑,求真務實才是進步的階梯。

  太陽物理領域的經典問題“為什么日冕那么熱”,是《科學》評選出的當代天文學的八大未解之謎之一。但有關“日冕加熱”的理論解釋存在諸多爭議,關鍵是沒有強有力的觀測證據。如果開展日冕磁場直接測量,或者發射足夠接近太陽的探測器,在關鍵技術和觀測發方法上獲得突破,將有望獲取“日冕加熱”問題的直接觀測證據。而日冕儀在這些關鍵問題研究中都起著重要作用。

  令人欣喜的是,我國的日冕儀研制隊伍正在逐漸壯大,腳踏實地、行穩致遠。在日冕儀研究領域,先后開展了地基日冕儀研制計劃、SST空間太陽望遠鏡計劃、“夸父”探測計劃和太陽極軌射電望遠鏡計劃、“子午工程二期”地基光譜成像日冕儀、先進太陽天文臺ASO-S搭載的日冕儀等等。這些未來的“人造日全食”,或許會讓日全食變得不再“稀有”。

  我們相信,從稻城無名山走出的奇跡還將繼續,有科研人員的付出和創造,我們與那個熾熱的答案之間的距離也將越來越近,期待著下一次的靠近!

  參考文獻:

  [1].Xia,L.D.,Marsch, E. and Curdt, W., On the outflow in an equatorial coronal hole,Astron. & Astrophys.,399,L5-L9,2003.

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  [9].袁鴻昌,張紅鑫,孫明哲. 內掩式日冕儀衍射雜散光抑制方法[J].中國科學,2019(11):1343-1349

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