人類拍到迄今最清晰的太陽照片 竟然像個爆米花?

2020-11-27 cnBeta

前段時間，美國國家科學基金會（NSF）位於夏威夷的丹尼爾∙凱∙伊農奕（Daniel K Inouye）太陽望遠鏡捕捉到了迄今最清晰的太陽表面照片。高清圖像裡，太陽仿佛是流動的黃金，展現出太陽作為等離子體複雜的結構，為人類認識太陽和預測太陽活動，提供了更進一步的素材。

來源：中國科學院國家天文臺

那麼照片是怎麼拍攝的？未來這架望遠鏡還會帶來什麼驚喜呢？來聽聽中國科學院院士汪景琇怎麼說~

Q：夏威夷丹尼爾∙凱∙伊農奕（Daniel K Inouye）太陽望遠鏡是目前世界上最大的太陽望遠鏡，它有什麼特點？科學目標是什麼？

汪景琇：這是世界上最大的太陽望遠鏡，坐落於夏威夷毛伊島東部。丹尼爾∙凱∙伊農奕太陽望遠鏡口徑4米，由美國國家自然科學基金委資助，美國國家太陽天文臺研製和運行，歷經20年、耗資3.44億美金。伊農奕太陽望遠鏡去年12月「開光」，剛剛睜開巨眼的它正以從未有過的精細度觀測太陽。

它的科學目標是對太陽磁場進行最精確的測量，包括前所未有的對太陽大氣或日冕磁場的測量，從而回答一些最重大的科學問題，比如，太陽的日冕為什麼會有百萬度的高溫，比太陽表面熱百倍；太陽大氣中翻騰的磁場如何驅動太陽風暴並影響地球上的生命等。

Q：此次的照片是如何拍攝的？

汪景琇：這張照片是1月29日發布的，是伊農奕太陽望遠鏡拍攝的太陽光球表面的單色像，可能是由多幅照片拼接而成的。其日面空間解析度達到35公裡。試想，在離太陽1.5億公裡外的地球，人類能夠分辨清楚太陽表面35公裡的結構特徵，這是何等令人振撼的科學技術奇蹟！

Q：照片上的不規則形狀是什麼？為什麼太陽表面會是這樣的？我們可以從這張照片中得到什麼信息？

汪景琇：照片展示的，是太陽表面沸騰的超熱大氣。圖中不規則的形狀是湍動對流的圖案。那些明亮的「元泡」是從太陽內部向上翻騰的氣泡，即包含電離的正負電荷在內的超熱等離子體。而「暗徑」類的結構，是對流中下落的被冷卻的等離子體。每一個亮的「元泡」和周圍的「暗徑」，組成像爆米花似的 「太陽米粒」。它們是恆星對流的一個基本結構。

值得一提的是圖像中「米粒暗徑」內只有幾十公裡的精細結構，有的表現為「亮點」，有的形如「金屬絲網」。它們曾在較低解析度的觀測中被鄧恩（Dunn）等發現。近年暗徑內的結構被地面和空間更多觀測證實和研究，也被稱為「暗徑亮點」。然而，在較低的解析度下，不可能在結構上分辨這些極為精細的特徵，更不可能在物理上對它們進行可靠的診斷，其「真容」也許只有靠伊農奕太陽望遠鏡才能真正揭示，它們可能為揭密日冕加熱等難題提供重要線索。

Q：此前鄧恩太陽望遠鏡也曾拍到過太陽的照片，鄧恩太陽望遠鏡的特點是什麼？這次拍攝的圖片和以往有什麼不同？

汪景琇：鄧恩太陽望遠鏡是美國國家太陽天文臺1969年投入工作的、口徑為1.5米的真空塔式太陽望遠鏡，位於新密西哥州的薩克峰，因其高解析度光譜成像觀測聞名於世。後來，為表彰該天文臺的太陽物理學家鄧恩（Dunn）的貢獻，該望遠鏡被命名為鄧恩太陽望遠鏡。

為建設伊農奕太陽望遠鏡，美國國家基金委削減了對鄧恩太陽望遠鏡的資助，使其成為由基金委、新墨西哥州和私人資助的太陽黑子太陽天文臺的主要設備。鄧恩太陽望遠鏡取得了很多重要成果，其中就包括對太陽對流的高解析度觀測和鄧恩等1974年關於米粒暗徑中細絲狀亮點結構（filigree）的發現。鄧恩望遠鏡因2004年配備了高階自適應光學系統，進一步提升了高解析度觀測的性能。

與早期鄧恩太陽望遠鏡等以往最好的光球照片比，伊農奕太陽望遠鏡觀測的空間解析度提高了約三倍。在米粒暗徑中細絲狀亮點結構被發現46年後，太陽物理學家可能第一次取得了它們被詳細分辨的圖像。現在發布的只是單色像，更精細的磁場和動力學測量將提供更多的物理信息。

Q：還處於測試階段的伊農奕太陽望遠鏡便拍下了如此清晰的太陽照片，未來它還將安裝更多先進儀器，如低溫近紅外分光光度計、衍射極限近紅外光譜偏振儀，這兩個儀器的作用是什麼？它將對科學家探索太陽提供哪些幫助？

汪景琇：伊農奕太陽望遠鏡配備了5套終端設備，確保在高空間解析度下、日面和太陽大氣中磁場偏振測量的最高精度和靈敏度。低溫近紅外光譜偏振儀和二維近紅外光纖光譜偏振儀，將直接測量太陽大氣包括日冕中的磁場，可能是伊農奕太陽望遠鏡最重要的兩套設備。

迄今為止，太陽磁場的直接測量僅局限於太陽光球表面，對太陽大氣（色球、過渡區和日冕）磁場的知識，主要來自在簡化假定下的理論重構。缺乏可靠的觀測，限制了科學家對太陽磁活動起源和機理的理解，導致日冕加熱和太陽風起源等難題得不到解決。其他三套設備包括快速寬帶濾光單色像儀，雙光路可見光狹縫光譜偏振儀和多波段成像光譜偏振儀。

自然雜誌報導的只是伊農奕太陽望遠鏡開光後拍到的光球照片，望遠鏡的科學觀測還要等幾個月才能正式開始。伊農奕太陽望遠鏡與抵近太陽的帕克太陽探針（PSP）和歐空局本周將發射的太陽軌道器（Solar Orbiter），標誌著太陽探測的一個新紀元的開始，為我國太陽物理研究提供了重大機遇和挑戰。中國科學家正在抓緊工作，為實現我國第一個太陽衛星-「先進空基太陽天文臺（ASOS）」 而努力，並為8米口徑的「先進地基太陽天文臺（ASOG）」計劃做科學和技術準備。

受訪專家

汪景琇，中國科學院院士，中國科學院國家天文臺研究員，中國科學院大學資深講席教授，《Research in Astronomy and Astrophysics》聯合執行主編。

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