EAST上海天文館科教型自適應(yīng)光學(xué)太陽望遠(yuǎn)鏡

我們真的認(rèn)識太陽嗎？從夸父逐日到羲和駕車，人們?yōu)檫@顆源源不斷提供光與熱的星體賦予了不竭的浪漫想象。隨著科技的進(jìn)步，對太陽的探索也不止停留于紙面的書寫，人們逐漸發(fā)現(xiàn)除了光與熱，太陽也有著自己的脾氣。

在一些時刻，太陽也會產(chǎn)生自己的風(fēng)暴，這是太陽大氣中劇烈的磁場擾動現(xiàn)象，與太陽黑子和耀斑的活躍緊密相連。日冕物質(zhì)拋射就像太陽的“火山爆發(fā)”，太陽日冕中大量等離子體在短時間內(nèi)被劇烈地拋射到太空中，攜帶著高能電子、質(zhì)子和重離子。當(dāng)?shù)诌_(dá)地球時對地球磁場產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，從而導(dǎo)致地磁暴的產(chǎn)生。大量高能粒子影響地球的磁場而帶來一系列連鎖反應(yīng)，不僅能點(diǎn)燃絢麗的極光，還會對我們依賴的衛(wèi)星系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備也可能因高能粒子的電磁干擾而受損，引發(fā)大規(guī)模的停電事件。

那么又該如何對太陽進(jìn)行更深入的觀察呢？我們知道，詳細(xì)觀測太陽極具挑戰(zhàn)性，就像我們無法利用放大鏡觀測太陽。在設(shè)計(jì)太陽望遠(yuǎn)鏡時，需要嚴(yán)格控制內(nèi)部溫度?？茖W(xué)家們通常使用窄帶濾光片將大部分熱量轉(zhuǎn)移到冷卻系統(tǒng)中。另一種思路是只觀測太陽盤的一小部分，利用格里高利望遠(yuǎn)鏡的幾何特點(diǎn)，在主鏡焦點(diǎn)處攔截多余的光，從而控制進(jìn)入觀測系統(tǒng)的光和熱量。

而位于上海天文館的太陽望遠(yuǎn)鏡——科教型自適應(yīng)光學(xué)太陽望遠(yuǎn)鏡EAST（Educational Adaptive-optics Solar Telescope），是當(dāng)前國際上技術(shù)最為先進(jìn)的太陽科普觀測望遠(yuǎn)鏡。它由七個主要部分組成：引導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)、全盤太陽成像系統(tǒng)、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、高分辨率太陽成像系統(tǒng)、積分視場單元（IFU）光譜儀、數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)以及公眾展示系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)了“在望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部觀測太陽”的創(chuàng)新理念，突破了傳統(tǒng)太陽望遠(yuǎn)鏡通常只記錄太陽圖像的桎梏。

圖 1 EAST總體結(jié)構(gòu)

EAST具有65厘米的主鏡口徑，同時使光線從望遠(yuǎn)鏡后端進(jìn)入展示空間，不受太陽視路徑的影響。在晴朗的天氣條件下，塔核心內(nèi)的觀察者可以看到一束陽光從天空中射入，經(jīng)過多個光學(xué)元件，形成多個不同波長的高分辨率太陽圖像，向公眾展示整個光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際光路，這意味著參觀者可以直接看到太陽光進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡并觀察其在復(fù)雜光學(xué)平臺上的傳播路徑，從而更全面地理解所得到的圖像。

因?yàn)榈乩憝h(huán)境因素，上海天文館面臨著強(qiáng)湍流大氣的情況?！耙婚W一閃亮晶晶”的歌曲我們都聽說過，而之所以看到的星星是閃爍的，就是因?yàn)榇髿馔牧鲗饩€的影響。對于地基太陽望遠(yuǎn)鏡來說，大氣擾動也會導(dǎo)致觀測質(zhì)量下降。為了解決這個問題從而實(shí)現(xiàn)更精確的觀測，EAST采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)AO實(shí)時補(bǔ)償大氣湍流引起的動態(tài)波前誤差，也就是說，利用自適應(yīng)的光學(xué)技術(shù)，通過抵消的辦法“適應(yīng)”了大氣擾動，以實(shí)現(xiàn)最佳成像性能。

圖 2 EAST的AO系統(tǒng)示意圖

AO系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)包括了相關(guān)哈特曼波前傳感器和高速實(shí)時控制器，當(dāng)太陽光線進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡后，首先由透鏡準(zhǔn)直器準(zhǔn)直，隨后進(jìn)入AO系統(tǒng)進(jìn)行波前校正。接著變形鏡通過調(diào)節(jié)自身表面形狀，從而使大氣湍流引起的波前誤差得以補(bǔ)償，提高圖像的清晰度與分辨率。

通過圖3的兩組例子，可以直觀地感受到經(jīng)過AO校正前后圖像的質(zhì)量區(qū)別。在圖中左側(cè)面板沒有進(jìn)行AO校正，而右側(cè)面板采用基于AO校正的重建。

圖 3 AO校正前后圖像對比。A和C為開環(huán)圖像，B和D為基于AO校正的重建圖像。

接下來需要解決的重要問題是太陽望遠(yuǎn)鏡的熱控。前文提到，設(shè)計(jì)太陽望遠(yuǎn)鏡時，如何保障熱控制是一個極大的挑戰(zhàn)。觀測過程中積累的熱量與望遠(yuǎn)鏡的口徑成正相關(guān)，可能導(dǎo)致各個光學(xué)元件的熱變形，嚴(yán)重影響觀測質(zhì)量。EAST采用了主動熱控制系統(tǒng)，在主鏡焦點(diǎn)處使用液體制冷劑，同時利用熱場隔板將96%的太陽輻射反射出去，并利用水冷式熱交換器設(shè)備冷卻隔板，使得筒內(nèi)溫度與周圍環(huán)境溫度之間的差異維持在±1°C以內(nèi)。

圖 4 溫度變化監(jiān)測

如果想要更加深入的了解太陽活動的機(jī)理信息，則需要另一項(xiàng)精密的光學(xué)信息處理工具——IFU偏振光譜成像系統(tǒng)，這是因?yàn)樘柎髿庵械氖噶看艌龅任锢砹渴橇硪痪S度的光學(xué)信息，無法以視覺效果簡單呈現(xiàn)出來。IFU偏振光譜成像系統(tǒng)由五部分組成：IFU前端耦合系統(tǒng)、IFU主體、IFU狹縫供給光譜儀、電子控制系統(tǒng)和圖像演示系統(tǒng)。如圖所示，通過該系統(tǒng)則可以記錄全Stokes光譜并進(jìn)行光譜成像偏振測量，為科學(xué)家提供太陽大氣的物質(zhì)流動和結(jié)構(gòu)演變，為公眾揭示太陽活動背后的機(jī)理。

圖 5 IFU光譜成像系統(tǒng)的示意圖

為了完成公眾科普的重要使命，在太陽塔一樓設(shè)置了太陽直播秀平臺，太陽望遠(yuǎn)鏡引導(dǎo)的陽光自穹頂經(jīng)過光學(xué)組件，分入四條不同的通道進(jìn)行處理。平臺的核心艙的墻壁上安裝了六個顯示屏，展示了不同波段的高分辨率局部太陽圖像、全盤太陽圖像以及太陽光譜成像。使得參觀者可以直觀地觀測到不同類型的太陽活動，讓太陽耀斑，太陽黑子等自然現(xiàn)象從“遠(yuǎn)在天邊”到“近在眼前”。

圖 6 太陽直播秀

上海天文館的EAST，使我們可以深入探索太陽的奧秘，還在科學(xué)教育和公眾參與中發(fā)揮重要作用。這顆每天照耀著我們的恒星通過EAST的展示，把太陽黑子的形成與消亡，日珥和耀斑的爆發(fā)等神秘而壯麗的景象清晰地呈現(xiàn)在我們眼前。EAST的精妙模擬設(shè)計(jì)使得無論是晴天還是陰天，EAST都會在這里，為公眾開啟了解太陽，了解光與熱的空間。

參考文獻(xiàn)

Du, Zhimao, et al. "The Educational Adaptive-optics Solar Telescope at the Shanghai Astronomy Museum." Astronomical Techniques and Instruments 1.3 (2024): 171-178.

Liu, Zhong, et al. "New vacuum solar telescope and observations with high resolution." Research in Astronomy and Astrophysics 14.6 (2014): 705.

作者：蔡文垂 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 研究生

審核：李明 中國科學(xué)院高能物理研究所 研究員

文章由科普中國-創(chuàng)作培育計(jì)劃出品，轉(zhuǎn)載請注明來源。