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探索 | 擦亮地面和太空两双“眼睛”窥见“火色”真面目——观测太阳,中国科学团队向前走了几步?
2021/04/20 18:15  新华报业网  杨频萍 蔡姝雯  

  交汇点讯 “曈曈太阳如火色”——太阳光耀夺目,就像一个天然的物理“实验室”,释放出大量的等离子体、产生超过地球磁场数千倍的强磁场。要窥见太阳的真面目,科学家们需要特别打造的“火眼金睛”。

  记者近日了解到,由中国科学院院士方成教授、长江学者丁明德教授领衔的南京大学天文与空间科学学院太阳物理研究团队提出的“2.5米大视场高分辨率太阳望远镜”(英文简称WeHoT)项目已进入到加工制造阶段;另一项由南京大学、上海航天技术研究院和中科院长春光机所等单位联合研发的“太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星”(太阳双超卫星,英文简称CHASE)预计将于今年底发射升空。在地面、太空的这两双“眼睛”将一起注视最熟悉也最陌生的太阳。

  受访者供图

  WeHoT来了!

  地面太阳望远镜为何难建

  我国第一座塔式太阳望远镜诞生在南京孝陵卫,上世纪80年代初由方成院士主持研制成功,有了这座“太阳塔”,方成带领团队获得了许多高质量的太阳活动二维光谱资料。

  受访者供图

  随着科学技术的发展,为了对太阳“明察秋毫”,天文学家们需要设计制造更大口径、更高分辨率的太阳望远镜。我国现有的最大口径太阳望远镜是中科院云南天文台研制的口径1米的新真空太阳望远镜(NVST)。

  “望远镜的口径越大,分辨率就越高。”丁明德教授说,但与如今动辄十多米口径的夜天文望远镜相比,太阳望远镜很难做大。“因为太阳望远镜具有极强的聚热效率,举个简单的例子,在太阳下举个小小的放大镜,都可能使一张纸燃烧起来。”科学研究也表明,太阳辐射强度非常高,在地球轨道处有1.36kW/m2的能量密度,相当于一间四人宿舍内开了七八个取暖器。太阳望远镜如何实现高热量下的散热,保持零件不受损害,不变形,是一个很大的技术难点。

  丁明德告诉记者,由于上述原因,目前国际上正在运行的地面大口径太阳望远镜都采用了有利于散热的偏轴光路设计。现在世界上正式运行的最大口径太阳望远镜是美国大熊湖天文台直径1.6米的古迪太阳望远镜(GST)。虽然它提供的分辨率足够开展大部分科学研究,但是由于光路设计的限制,其视场只有2-3角分(太阳直径约为32角分),只能覆盖太阳表面的百分之一左右。

  位于美国夏威夷的世界最大的4米口径太阳望远镜DKIST已经完成制造和安装,正处于调试运行状态。虽然DKIST的口径更大,理论观测分辨率更好,但它和GST一样使用偏轴设计,视场也很小,不利于观测较大规模的太阳爆发活动。

  为了建造一架创新的大型太阳望远镜,既有很高的空间分辨率,又有足够大的视场,南京大学太阳物理研究团队5年前提出了设计理念,经过多次的研讨和评审,WeHoT于2019年10月正式启动建设。南京大学为牵头单位,合作方还包括中科院紫金山天文台、云南天文台和南京天文光学技术研究所等单位。

  丁明德介绍,WeHoT采用轴对称光学系统,借鉴了我国著名光学工程专家、中国科学院院士苏定强教授主导提出的SYZ(苏定强、俞新木、周必方三人姓的拼音首字母)折轴光路设计,配合用最新技术研制的低膨胀系数玻璃和新研发的高效望远镜散热系统,使得WeHoT可以承受数倍于GST的散热压力,预期可达到7角分的圆视场(或者5角分的方视场),分辨率为0.1―0.3角秒(以500纳米光为例),能够覆盖整个太阳活动区。视场与分辨率的兼顾,使得WeHoT在国际同类望远镜中独树一帜、难以替代。

  CHASE要上天!

  空间太阳探测卫星突破在哪

  在日地之间这一个天文单位的舞台上,各个太阳探测设备从不同角度展示着自己的独特身手。

  与地面上的WeHoT望远镜遥相呼应的,还有即将于今年发射到离地球500公里之外的空间太阳卫星——“太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星”(CHASE)。CHASE卫星是我国第一颗兼顾科学观测和技术试验的太阳卫星。

  “所谓‘双超’,是指超高指向精度、超高稳定度。基于双超平台,遥感卫星的载荷(例如相机等)在太空拍照时将会更准、更稳,从而获得更高质量的观测图像。”CHASE卫星科学应用系统总设计师李川介绍说。

  据了解,CHASE卫星的主要科学载荷为“Hα成像光谱仪”。Hα成像光谱仪将通过高光谱扫描成像方法,在Hα临近波段的近百个波长点实现全日面成像。其具有非常先进的技术指标,比如光谱分辨率达到0.14埃,空间分辨率达到1角秒,全日面扫描时间仅为60秒等。

  李川科普道,Hα是研究太阳活动在光球和色球响应时最好的谱线之一,通过对这条谱线的数据分析,可以获得太阳爆发时大气温度、速度等物理量的变化,研究太阳爆发的动力学过程和物理机制。CHASE卫星的发射成功,将在国际上首次实现全日面Hα波段的光谱成像观测,努力形成中国科学家主导的原创性科研成果。

  CHASE卫星观测对象非常明确,主要是太阳低层大气,如光球、色球等。未来,它将与我国首个专用的太阳观测卫星——“先进天基太阳天文台”(ASO-S)形成观测层次和观测波段的有效互补。

  “要引领天文学科,必须研制自己一流的天文观测设备。”丁明德说,研制空间望远镜,技术难度相当大,需要在发射前期就考虑到方方面面的因素,避免在几百公里甚至几千公里的太空中设备出现故障,因此一个项目经常要花上五年、十年甚至几十年的时间去做,但这些都是值得的。WeHoT、CHASE和ASO-S的联测研究,对于提升我国在太阳物理和空间物理领域的国际影响力具有深远意义。

  图片来源:视觉中国

  遥望恒星“邻居”

  太阳探测何以如此重要

  南京大学两个太阳望远镜建设节奏,与观察太阳的周期也密切相关。太阳活动大概以11年为一个周期。自1755年第一个太阳活动周开始,人类已经经历了24个太阳周期,现在我们正处于第25个太阳活动周的初期。

  丁明德告诉记者,按照建设规划,WeHoT将于2024年完成研制,并于2025年完成安装调试,开始正式运行,以期赶上第25个太阳活动周的活跃期。

  在2025年左右,太阳将从慵懒的状态中醒来,奋力发光发热。但太阳的苏醒,对人类的影响也要看“心情”。如果把太阳比作人,它要是打一个“喷嚏”(俗称太阳风暴),它的“飞沫”(高能等离子体)溅到了地球上,就可能会对地球和人类造成较大的危害:通信中断、卫星失效、电网停摆等“病症”都是有可能发生的。丁明德说,太阳的大规模爆发还会使地球磁场受到影响,产生磁暴现象,影响到供电系统和石油输运系统。

  “目前探测到的太阳活动包括太阳黑子、太阳耀斑、日冕物质抛射和暗条爆发等等。”丁明德表示,通过大口径、高分辨率的太阳望远镜,不仅可以观察太阳爆发活动的先兆特征,为灾害性空间天气的预警和预报提供理论支撑;更重要的是了解太阳的这些活动区域是如何产生,如何发展演化,又如何导致太阳耀斑和日冕物质抛射等爆发活动的?求解太阳物理中最基本的科学问题。

  探索太阳之所以重要,还在于它是我们唯一的恒星“邻居”,是我们研究其它恒星的绝佳样本。“从地球望向深空,绝大多数的恒星对于我们来说都是一个点,很难对其他恒星进行表面或区域性的单独研究。”丁明德说,其实大多数恒星表面都会发生与太阳相似的活动现象,但太阳是我们目前唯一可以获取表面信息的恒星。我们可以直接看到其表面对流,可以直接测量其磁场、观察其活动……对太阳的观测为我们研究其它恒星和天体活动提供了重要依据。

  随着人类科技的不断发展,尤其是我国近年来综合国力的不断提升,中国空间站、嫦娥工程、火星计划等都得以实施。这些深空探测计划所需要考虑的一个重要因素就是行星际空间环境的扰动,而造成这些扰动的就是太阳爆发活动。因此,通过建造更先进的太阳望远镜来监测太阳爆发活动也是服务国家战略需求的重要举措。

  交汇点记者 杨频萍 蔡姝雯

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责编:刘雨菲

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