“看清”太陽的進擊之路

胡平

太陽究竟長啥樣？太陽表面有什么？抬頭直接看顯然不可能，那就給天文望遠鏡加上一層巴德膜（一種太陽濾光片）吧，結(jié)果太陽變成了一個平淡無奇的“小球”，清晰度也完全不夠。到底怎樣才能“看清”太陽呢？

我們?yōu)楹我^測太陽

太陽是我們唯一能觀測到表面細節(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、色球和日冕層。雖然就總體而言，太陽是一個穩(wěn)定、平衡、發(fā)光的氣體球，但它的大氣層時刻處于局部的劇烈活動之中。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。

太陽上的劇烈爆發(fā)活動也稱太陽風暴。太陽風暴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年加拿大魁北克省大面積停電事件就是由地磁暴造成的）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航天器的安全運行、無線通信、導航和定位系統(tǒng)、輸電網(wǎng)絡和輸油管道、天氣和氣候等多個方面。太陽磁場是太陽風暴的根本驅(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重要的科學問題。

太陽望遠鏡什么樣

一般的天文望遠鏡都是在夜間觀測，也稱為夜天文望遠鏡，因為白天太陽光強過強，人們無法觀測到除太陽外的其他天體。太陽望遠鏡是專門用于太陽觀測的望遠鏡。太陽望遠鏡和夜天文望遠鏡都有巨大的主鏡，它們的區(qū)別在哪兒呢？

專業(yè)的太陽望遠鏡需要長焦距的光學元件和可在真空中工作的光路，這是為了排除望遠鏡內(nèi)部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(huán)境會被加熱引起湍流并降低分辨力，為了減少這種影響，太陽望遠鏡往往建在塔上并被涂成白色，有的太陽望遠鏡還坐落在湖邊。此外，針對太陽光聚焦所產(chǎn)生的熱量過高問題，每一個太陽望遠鏡內(nèi)幾乎都有用來承受這種熱負荷并保持冷卻的部件以及完整的熱控系統(tǒng)。太陽望遠鏡的熱控系統(tǒng)可以算是其與普通望遠鏡的最大區(qū)別。

太陽望遠鏡有很多種類。根據(jù)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(jù)光學系統(tǒng)，可以分為折射式望遠鏡和反射式望遠鏡。由于大口徑的需要，現(xiàn)在主流的太陽望遠鏡都是反射式的。根據(jù)裝置類型，可以分為太陽塔和水平式太陽望遠鏡。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。

我們知道，為了獲得更清晰的太陽表面細節(jié)就需要更大口徑的太陽望遠鏡。那么，是不是口徑越大望遠鏡的分辨力就越高呢？其實不是這樣的，對于地基太陽望遠鏡來說，由于地球大氣擾動的影響，無論望遠鏡口徑多大，其分辨力僅相當于15～30厘米口徑望遠鏡。

為了解決大氣視寧度（對受地球大氣擾動影響的天體圖像品質(zhì)的一種量度）對地基大口徑望遠鏡的影響，科學家們發(fā)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(xiàn)高分辨率成像的主要手段，現(xiàn)在世界上的大口徑望遠鏡幾乎都安裝了自適應光學系統(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。由于自適應光學技術的出現(xiàn)，才使得地基太陽望遠鏡能夠向更大口徑發(fā)展。

從1米到4米

地基太陽望遠鏡的發(fā)展可根據(jù)主鏡口徑大小劃分為三個階段：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。

荷蘭的開放式望遠鏡（DOT）坐落在加納利群島拉帕爾馬山上的穆查丘斯羅克天文臺，是一架主鏡口徑45厘米的太陽望遠鏡，它的成就之一是在2004年“金星凌日”發(fā)生時錄制了可以觀賞的影片。

日本京都大學飛彈天文臺建造的60厘米反射式無圓頂太陽望遠鏡（DST），旨在以最高的空間分辨率獲取太陽表面圖像。從建成以來，DST在觀測引發(fā)太陽爆發(fā)事件的機制以及空間等離子物理研究方面做出了巨大的科學貢獻。

20世紀90年代，中國科學院國家天文臺懷柔太陽觀測基地的35厘米口徑多通道太陽望遠鏡建成。它由五個不同功能的望遠鏡組成。該望遠鏡是我國獨創(chuàng)的，能同時測量太陽不同層次、不同尺度的矢量磁場、速度場，是具有高時空分辨率、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年，瑞典的1米級太陽望遠鏡（NSST）開始工作，成為當時歐洲最大的太陽望遠鏡，在高空間分辨率上是世界第一。該望遠鏡同樣位于加納利群島拉帕爾馬山的穆查丘斯羅克天文臺，它結(jié)合了高光學質(zhì)量、自適應光學和先進的圖像恢復技術。

中國在望遠鏡精度和口徑方面也在快速發(fā)展。2009年，1米級新真空太陽望遠鏡（NVST）在中國科學院云南天文臺撫仙湖觀測站建成，并于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分辨率成像和光譜觀測，包括測量太陽磁場的精細結(jié)構(gòu)、高時空分辨率的演化過程。

在太陽望遠鏡的研制上，美國很長一段時間內(nèi)都處于領先地位。2008年，美國大熊湖太陽觀測站建造的古德太陽望遠鏡（GST）不僅是世界首臺2米級太陽望遠鏡，而且在10多年里一直是世界上口徑最大、分辨率最高的太陽望遠鏡。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，采用了離軸格里高利光學系統(tǒng)，應用了自適應光學和主動光學技術。該望遠鏡主要用于在高時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)又写艌鰪姸葹榍Ц咚沟拇帕鞴艿膭恿μ匦?；研究太陽黑子區(qū)磁發(fā)電機對流等。

2012年，由德國太陽物理研究所等機構(gòu)研制的主鏡口徑為1.5米的GREGOR太陽望遠鏡建成。GREGOR采用了3鏡式同軸格里高利光學系統(tǒng)和開放式結(jié)構(gòu)。該太陽望遠鏡主要任務是通過對太陽的高精度偏振測量，得到太陽磁場的空間分布，進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償；研究太陽色球等。

2013年，中國科學院光電技術研究所開始了1.8米級大型太陽望遠鏡（CLST）的設計及研制工作，先后在國內(nèi)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，并于2019年12月成功實現(xiàn)首光，獲取到太陽大氣光球?qū)雍蜕驅(qū)咏苌錁O限高分辨力觀測結(jié)果。它是我國首套2米級太陽望遠鏡，也是在美國4米級丹尼爾·井上太陽望遠鏡（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(tǒng)、太陽活動區(qū)高分辨力磁場和速度場探測系統(tǒng)等，以期為太陽活動的發(fā)生、發(fā)展演化提供更精確、更詳實的觀測數(shù)據(jù)。

除了已建成的1.8米級太陽望遠鏡CLST之外，我國還在籌建兩臺新的大口徑太陽望遠鏡，分別是2.5米級多功能太陽望遠鏡和8米級環(huán)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。

美國研制的4米級太陽望遠鏡DKIST，經(jīng)過設備調(diào)試安裝，已于2019年12月獲得階段成像結(jié)果。耗資3.44億美元、歷時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。

歐洲太陽望遠鏡協(xié)會（EAST）2007年也倡議建一個4米級地面太陽望遠鏡（EST），暫選址加納利群島，與DKIST在地理區(qū)位上形成互補。EST太陽望遠鏡的建設計劃一波三折，曾經(jīng)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，預計2026年建成。

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?qū)雍蜕驅(qū)拥木毥Y(jié)構(gòu)和動力學特征進行觀測，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)的機制等科學問題緊密相關?！?/p>

回顧世界上太陽望遠鏡的發(fā)展歷程，我們不難看出，在整個發(fā)展歷程中，太陽望遠鏡一直在朝向大口徑發(fā)展。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。并且，由于大氣視寧度的影響，大口徑太陽望遠鏡都不得不加裝自適應光學系統(tǒng)。因此，天基太陽望遠鏡是另一個重要的發(fā)展方向，因為在太空中望遠鏡可不受大氣視寧度的影響。

盡管在“看清”太陽的道路上，人類不斷前進，取得了巨大的成就，但我們對太陽的觀測還遠遠不夠，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！