看「清」太陽的進擊之路

文章來自「科學大院」公眾號

作者： 胡平

太陽究竟長啥樣？太陽表面是什麼樣？抬頭直接看顯然不現實，望遠鏡有了巴德膜buff加成……太陽好像變成了一個平平無奇的小球，清晰度也完全不夠。去也去不了，看也看不清！別急，和大院er一起用太陽望遠鏡看「清」太陽吧~

加了巴德膜望遠鏡觀察下的太陽（圖片來源：維基百科）

01 為何要觀測太陽？

太陽是我們唯一能觀測到表面細節的恆星，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，它從裡向外分為光球、色球和日冕三層。雖然就總體而言，太陽是一個穩定、平衡、發光的氣體球，但它的大氣層卻處於局部的激烈運動之中。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後可能產生地磁暴（1989年魁北克大面積停電事件）和高能電子暴等災害性空間天氣事件。太陽風暴對技術裝備的影響涉及到太空飛行器的安全運行、無線通信、導航和定位系統、輸電網絡和輸油管道、天氣和氣候等多個方面。而太陽磁場是太陽風暴的根本驅動力，也是太陽活動對行星際空間、地球空間以及人類活動產生影響的「幕後黑手」。因此，太陽磁場的測量便成了一個重要的科學問題。

02 太陽望遠鏡≠夜天文望遠鏡

夜天文望遠鏡，顧名思義，是用於觀測除恆星外的星體的天文望遠鏡，由於白天太陽光強過強，我們無法觀測到除太陽外的其它星體，這也是為什麼星星只能在晚上看到的原因。那麼，太陽望遠鏡和夜天文所使用的望遠鏡都有巨大的主鏡，它們的區別在哪兒呢？

太陽觀測（上）與夜天文目標觀測（下）（圖片來源：IOE）

專業的太陽望遠鏡可能有很長焦距的主要光學元件和在真空中工作的光路，這是為了排除望遠鏡內部對流引起的氣流運動對觀測的影響。太陽望遠鏡在白天工作，望遠鏡周圍的環境會被加熱引起湍流並降低分辨力，為了降低其影響，太陽望遠鏡往往建在塔上，並塗成白色，甚至有的太陽望遠鏡還坐落在湖邊。此外，針對太陽望遠鏡的面臨太陽光聚焦所產生的過高熱量問題，每一個太陽望遠鏡內幾乎都有用來承受這種熱負荷並保持冷卻的部件以及完整的熱控系統。太陽望遠鏡的熱控系統可以算是其與普通望遠鏡的最大區別。

同樣的，太陽望遠鏡也有很多種類。根據所處位置，可以分為地基太陽望遠鏡和空間太陽望遠鏡；根據光學系統，可以分為折射式望遠鏡和反射式望遠鏡，不過由於大口徑的需要，現在主流的望遠鏡都是反射式的；根據裝置類型，可分為太陽塔和水平式。另外，除光學太陽望遠鏡外，還有射電、紅外、紫外等針對不同波段的太陽望遠鏡。

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，太陽活動區通常對應1′~2′左右的視場區域，太陽大氣內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。而望遠鏡衍射極限角分辨力由望遠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節就需要更大口徑的太陽望遠鏡。

那麼，是不是口徑越大望遠鏡的分辨力就一定越高呢？事實並不是這樣。對於安裝在地球上的地基太陽望遠鏡來說，由於地球大氣擾動的影響，無論望遠鏡口徑多大，其分辨力僅相當於15-30cm口徑望遠鏡。

大氣擾動對望遠鏡的影響（圖片來源：IOE）

為了解決大氣視寧度（望遠鏡顯示圖像的清晰度）對地基大口徑望遠鏡的影響，科學家們發展出了自適應光學（AO）技術。自適應光學技術是地基大口徑光學望遠鏡實現高分辨力成像的主要手段，現在世界上的大口徑望遠鏡幾乎都安裝有自適應光學系統。它可以通過波前探測和波前校正器對大氣擾動產生的影響進行物理校正，能夠極大降低大氣視寧度對望遠鏡分辨力的影響。由於自適應光學技術的出現，才使得地基大口徑太陽望遠鏡能夠朝著更大口徑發展。

03 從1米到4米

地基太陽望遠鏡發展到今天，根據主鏡口徑大小可劃分為三個發展階段：1米級（及以下）太陽望遠鏡、2米級太陽望遠鏡和4米級太陽望遠鏡。

國際太陽望遠鏡發展（圖片來源：IOE）

下面我們先看看最初的1米級太陽望遠鏡都有哪些。

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

金星凌日（圖片來源：NASA）

日本京都大學飛彈天文臺建立的60cm反射式無圓頂太陽望遠鏡（DST），旨在以最高的空間解析度獲取太陽表面圖像。從建成到近年，無圓頂太陽望遠鏡在觀測引發太陽爆發事件的機制以及空間等離子物理中的其它現象方面做出了巨大的科學進步。

中國也緊隨其後，90年代，多通道太陽望遠鏡（口徑35cm）建成，位於中國科學院國家天文臺懷柔太陽觀測基地，由五個不同功能的望遠鏡組成。該望遠鏡是我國獨創的，能同時測量太陽不同層次、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託克斯參數輪廓、高時間和高空間解析度、高靈敏度的高科學含量綜合望遠鏡。

21世紀以來，歐洲有許多新的望遠鏡取代了以前的舊望遠鏡。2002瑞典1米太陽望遠鏡（NSST）開始工作。瑞典1米太陽望遠鏡由瑞典皇家科學院太陽物理研究所運營，是當時歐洲最大的太陽望遠鏡，在高空間解析度上是世界第一。其位於加納利群島拉帕爾馬山的穆查丘斯羅克天文臺，結合了高光學質量、自適應光學和先進的圖像恢復技術。

雲南NVST望遠鏡（圖片來源：雲南天文臺）

中國在望遠鏡精度和口徑方面也在快速發展，2009年，1米真空太陽望遠鏡（NVST）在中國科學院雲南天文臺撫仙湖觀測站建成，是一架地平式望遠鏡，於2012年正式運行。其主要科學目標是在0.3~2.5微米波段對太陽進行高解析度成像和光譜觀測，包括測量太陽磁場的精細結構、高時空解析度的演化過程。

美國大熊湖太陽觀測站（圖片來源：SPIE）

然而美國在太陽望遠鏡的研製上很長一段時間內都處於領先地位。2008年，美國大熊湖太陽觀測站建造的古德太陽望遠鏡（Goode Solar Telescope,GST）是世界首臺兩米級太陽望遠鏡，在十多年裡是世界上口徑最大、解析度最高的太陽望遠鏡。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，採用了離軸格裡高利光學系統，應用了自適應光學和主動光學技術。該望遠鏡主要用於在高時空解析度下研究太陽耀斑；在耀斑活躍區研究磁場的結構和演化；研究太陽光球層中磁場強度為千高斯的磁流管的動力特性；研究太陽黑子區磁發電機對流等。

德國GREGOR望遠鏡 （圖片來源:SPIE）

2012年由德國太陽物理研究所等科研機構研製的主鏡口徑為1.5m的GREGOR太陽望遠鏡建成。GREGOR採用了3鏡式同軸格裡高利光學系統，開放式結構。該太陽望遠鏡主要任務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，進而研究改樣磁流的出現、演變和消亡；研究太陽黑子的能量補償；研究太陽色球等。

在我國，中國科學院光電技術研究所研製從2013年開展1.8米太陽望遠鏡（CLST）設計及研製工作，先後在國內首次突破主鏡熱控、低對比度擴展目標波前探測等一系列關鍵技術，並於2019年12月成功實現首光，獲取到太陽大氣光球層和色球層近衍射極限高分辨力成像結果。

正在觀測的CLST望遠鏡 （圖片來源：IOE）

這是我國首套2米級太陽望遠鏡，也是在美國4米太陽望遠鏡DKIST正式運行前，國際上已建成的最大口徑太陽望遠鏡。未來該太陽望遠鏡還將配備太陽多層共軛自適應光學系統、太陽活動區高分辨力磁場和速度場探測系統等，以獲取更全面的太陽活動監測數據，為太陽活動的發生、發展演化提供更精確更詳實的觀測數據。

CLST高分辨力觀測結果（上為光球層，下為色球層） （圖片來源：IOE）

除了已建成的1.8米太陽望遠鏡CLST之外，我國還在籌建2臺新的大口徑太陽望遠鏡，分別是2.5米多功能太陽望遠鏡和8米環形太陽望遠鏡，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及相關物理研究的進步。

國際上，美國研製了一臺口徑4米的太陽望遠鏡——4米級丹尼爾·井上太陽望遠鏡（DKIST），設備經過調試安裝，於2019年12月獲得階段成像結果。根據DKIST研製計劃，該太陽望遠鏡已於2020年正式投入運行。耗資3.44億美元、歷時20年研製的DKIST將把人類對太陽的探索帶入新的發展階段。

DKIST望遠鏡（圖片來源：SPIE）

最清晰的太陽照片（圖片來源：維基百科）

此外，歐洲太陽望遠鏡協會（EAST）2007年倡議建一個4米級地面太陽望遠鏡（EST），暫選址canary群島，與DKIST在地理區位上形成互補。EST太陽望遠鏡的建設過程一波三折，建設計劃一度夭折，最終在2016年由西班牙牽頭、歐盟等28個國家共同參與重啟建設計劃，經費預算2.6億歐元，預計2026年建成。

04 太陽望遠鏡的未來

北京大學地球與空間科學學院教授、中國科學院太陽活動重點實驗室主任田暉表示：「大口徑的地面太陽望遠鏡主要是對太陽光球層和色球層的精細結構和動力學特徵進行觀測，這些結構及其演化特徵與太陽磁場的產生和演化、日冕百萬度高溫的產生和維持、太陽爆發的機制等科學問題緊密相關。」

回顧世界上太陽望遠鏡的發展歷程後，我們不難看出，在整個發展歷程中，太陽望遠鏡一直在朝著大口徑發展；不僅如此，在口徑變大的過程中，太陽望遠鏡上裝配的測量觀測儀器也越來越多，精度越來越高。並且，由於大氣視寧度的影響，大口徑太陽望遠鏡都不得不加裝自適應光學系統；因而天基太陽望遠鏡也是另一個重要的發展方向，其在太空中望遠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遠不夠，亦不能足夠精準地預測太陽的活動；因此，對太陽的科學觀測仍然任重道遠！

作者單位：中國科學院光電技術研究所

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