日冕觀測進(jìn)化史：日食太少，我們就造一個(gè)出來

　　出品：科普中國

　　作者：張雪飛 劉煜 趙明宇（中國科學(xué)院云南天文臺(tái)）

　　監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

　　“夕日缺虧彎似月，百年不遇現(xiàn)皇都”。

　　日食是一種比較稀有的天文現(xiàn)象，日全食就更為罕見。作為日食中最完美的現(xiàn)象，每一次日全食都是一場“天文盛宴”，被世界各地的天文工作者視為解開太陽物理領(lǐng)域諸多謎題的良好時(shí)機(jī)。

　　圖1. 日全食時(shí)觀測的日冕綠線和日冕紅線結(jié)構(gòu)（Hubbal et al.2011）

　　現(xiàn)在，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，罕見的日全食觀測，或許將不再“罕見”。

　　日全食，天文學(xué)家的“盛宴”

　　日全食，就是在地球上某一位置的太陽光被月亮完全遮住的天文現(xiàn)象。

　　當(dāng)日全食發(fā)生時(shí)，最光輝燦爛耀入眼睛的是“貝利珠”。其實(shí)，這是從月亮邊緣起伏的山谷中穿過來的日光。

　　圖2. 日全食時(shí)的“貝利珠”現(xiàn)象（圖片來源：Veer圖庫）

　　但日全食最主要觀測的是日冕，因?yàn)槿彰岬幕顒?dòng)對地球有重要影響，而且研究日冕是解決太陽物理領(lǐng)域重大未解之謎的必經(jīng)之路。

　　那么，什么是日冕呢？

　　圖3.太陽結(jié)構(gòu)（圖源：Wikipedia）

　　我們?nèi)庋劭梢姷氖枪馇驅(qū)?，而日冕是太陽大氣的最外層，起始于色球?qū)又?，向外一直延伸到行星際空間，形成連續(xù)向外流動(dòng)的太陽風(fēng)。

　　俗話說得好，“外行看熱鬧，行家看門道”。當(dāng)日全食發(fā)生時(shí)，對天文學(xué)家而言，真是觀測的好機(jī)會(huì)，可以做太多太多研究了！

　　比如：測算太陽輻射對地球電離層的影響；研究日冕復(fù)雜的形態(tài)學(xué)和活動(dòng)現(xiàn)象；開展日冕區(qū)域的電子密度和溫度研究；尋求太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射觸發(fā)機(jī)制的觀測證據(jù)；尋找太陽黑子變化的成因；查證太陽磁場與日冕結(jié)構(gòu)和活動(dòng)的相互作用；深入探索影響近地空間環(huán)境和驅(qū)動(dòng)日地空間災(zāi)害性天氣的源動(dòng)力，為災(zāi)害性空間天氣預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　圖4. 日全食是開展太陽物理研究的好機(jī)會(huì)（圖片來源：Veer圖庫，編輯有改動(dòng)）

　　可惜的是，這種“良機(jī)”不是天天有。而且，真正全食的持續(xù)時(shí)間其實(shí)很短，對于天文研究人員來講，能獲取的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

　　怎么辦呢？

　　機(jī)會(huì)少，那我們就創(chuàng)造機(jī)會(huì)！一種“人造日全食”的方案，被提了出來。

　　數(shù)量不夠，人造來“湊”

　　天文學(xué)家通過“人造月亮”，研制了一種特殊的天文望遠(yuǎn)鏡——日冕儀，開啟了非日全食時(shí)的日冕觀測時(shí)代。

　　對于解決日冕物質(zhì)拋射的產(chǎn)生問題，以及為日冕加熱等科學(xué)問題尋找答案來說，日冕儀的出現(xiàn)都意義非凡。

　　簡單說，可以把它理解成一種安裝了遮擋盤的望遠(yuǎn)鏡，功能就是在沒有日全食時(shí)，通過儀器的特殊結(jié)構(gòu)模擬太陽在日全食時(shí)的影像，進(jìn)行日冕觀測。

　　傳統(tǒng)的日冕儀按組成結(jié)構(gòu)可分為：內(nèi)掩式、外掩式。

　　內(nèi)掩式日冕儀是將物鏡放置在望遠(yuǎn)鏡前端，在物鏡成像的一次像面處設(shè)置一遮擋板（內(nèi)掩體），該遮擋板就相當(dāng)于日全食時(shí)的月亮。壯觀絢麗的日冕光通過二次成像系統(tǒng)，就能進(jìn)入我們的視線。

　　它長下面這樣：

　　圖5. 傳統(tǒng)內(nèi)掩式日冕儀成像原理示意圖（袁鴻昌等，2019）

　　外掩式日冕儀是在物鏡前端安置遮擋板（外掩體），遮擋太陽直射光，日冕光經(jīng)物鏡一次成像后，進(jìn)入準(zhǔn)直系統(tǒng)，并經(jīng)二次成像系統(tǒng)，盡收眼底。

　　用日冕儀觀測到的日冕是這樣的：

　　圖6. 數(shù)據(jù)由麗江日冕儀觀測站提供

　　日冕儀雖好，卻不容易造，也不是萬能的

　　和朋友聊天的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)聽到大家對日冕儀的一些誤解。

　　比如，不少人會(huì)說，這日冕儀可太好了，有了它，豈不是每天都可以看日全食，Paper發(fā)不停？

　　當(dāng)然不是！

　　首先，“人造日全食”并不容易。它需要攻克兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：一是日冕儀雜散光的抑制能力，二是為日冕儀的地面觀測選擇臺(tái)址。

　　在觀測中，除了我們想要觀測的日冕的光，其他光都是雜散光，包括太陽直射光，玻璃材料不夠純凈、有雜質(zhì)引起的散射光，甚至光學(xué)組件邊緣的衍射光，等等。在設(shè)計(jì)日冕儀的時(shí)候，需要進(jìn)行建模分析，通過設(shè)置掩體、運(yùn)用高精尖拋光技術(shù)、選用優(yōu)質(zhì)玻璃等種種操作，把雜散光盡量消除。

　　但是，因?yàn)槿彰岬牧炼缺忍柟馇驅(qū)右岛芏啵ㄎ覀円话阌肂⊙表示日面中心亮度，日冕能暗到10-5～10-13B⊙），所以難度非常大。

　　日冕儀組裝完成后，距離“人造日全食”就更近一步了。

　　不過，要想成功獲得“人造日全食”，還有關(guān)鍵一步，就是需要優(yōu)良的日冕儀觀測臺(tái)站。

　　看太陽，還需要挑選地方？

　　當(dāng)然！

　　日冕光從太陽傳輸至地面日冕儀的入射窗口，其實(shí)可以分為兩個(gè)過程：第一階段是日冕光經(jīng)行星際空間傳輸至地球大氣上界；第二階段是經(jīng)地球大氣，從地球大氣上界傳輸至地面日冕儀窗口。

　　圖7. 日冕可見光輻射中K、F、E冕分量隨高度的變化（涂傳詒等.2020）

　　在第一階段，日冕光不受地球大氣擾動(dòng)影響，可以認(rèn)為很穩(wěn)定。在第二階段，日冕光經(jīng)大氣上界傳輸至地面日冕儀窗口，主要受到大氣散射和氣溶膠吸收的影響。即使在一些空氣非常稀薄的高山上，大氣散射的量級也能達(dá)到10-5-10-6B⊙。

　　所以，在地面上開展日冕儀觀測，必須進(jìn)行日冕儀臺(tái)站選址工作。

　　我國日冕儀研究起步雖晚，正在加速追趕中

　　其實(shí)，早在1930年，世界上第一臺(tái)日冕儀就誕生了。

　　圖8. 法國人B.Lyot在開展日冕觀測（圖源：Wikipedia）

　　法國人B. Lyot發(fā)明了內(nèi)掩式日冕儀，在海拔2870米大雪之后的比利牛斯山上，成功觀測到日冕，這是人類向“人造日全食”邁出的“里程碑”式一步。

　　自此之后，隨著觀測目標(biāo)和加工工藝的不斷改進(jìn)，瑞士、德國、美國、俄羅斯等國家先后將日冕儀作為地面常規(guī)設(shè)備，開展了日冕連續(xù)觀測。日冕儀的探測視場、時(shí)間/空間分辨率、雜散光抑制水平不斷提高，并由地面觀測步入了自主空間探測。

　　目前，日冕儀已經(jīng)成為太陽物理和空間天氣科學(xué)研究和監(jiān)測的必不可少儀器。

　　那么，我國的日冕儀研究狀況如何呢？

　　與發(fā)達(dá)國家相比，我國日冕儀研制起步較晚，最早的日冕儀研制始于南京。1959年6月由南京大學(xué)組織在甘肅祁連山朱龍關(guān)地區(qū)開展日冕儀測試，但受到了當(dāng)時(shí)儀器簡陋和觀測環(huán)境的限制，未能成功拍攝到日冕圖像。

　　幾十年后，我們中國西部太陽選址隊(duì)伍攜帶科學(xué)設(shè)備先后考察了新疆、西藏、寧夏、青海、四川和云南等省市的60多處址點(diǎn)。通過科學(xué)分析，結(jié)合交通、氣象氣候要素、地理地質(zhì)條件、社會(huì)和人口發(fā)展等方面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，獲得了數(shù)個(gè)較理想的日冕儀臺(tái)站候選點(diǎn)。

　　如今，在國際合作的基礎(chǔ)上，我們于2013年在海拔3200米的云南天文臺(tái)麗江天文觀測站完成了日冕儀的建設(shè)。這不僅開啟了我國非日全食時(shí)的日冕觀測，而且證明了我國西部高海拔地區(qū)的確存在符合地基日冕儀觀測的優(yōu)良址點(diǎn)，為我國日冕儀的研制，夯實(shí)了基礎(chǔ)。

　　經(jīng)過對日冕儀不斷升級改造，并與國內(nèi)重點(diǎn)大學(xué)、研究所開展交流合作， 2017年，團(tuán)隊(duì)又完成了麗江日冕儀高海拔實(shí)驗(yàn)基地的建設(shè)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還集中了優(yōu)勢力量開展與山東大學(xué)（威海）、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、中國科技大學(xué)、國家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)等單位的合作。

　　功夫不負(fù)有心人，2018年10月22日，我國自主研制的日冕儀樣機(jī)在麗江日冕儀高海拔試驗(yàn)基地成功獲得了綠線日冕圖像！

　　這次試驗(yàn)的成功是我國在日冕儀關(guān)鍵技術(shù)上的歷史性突破，標(biāo)志著我國已經(jīng)步入國際日冕儀研制梯隊(duì)。

　　雖然取得了這樣的突破，但科學(xué)家們心里都非常清楚，我們和國際第一梯隊(duì)還有不小的距離。因此，在成功獲得日冕圖像后，科學(xué)家們馬上投入了新的研究。

　　這一次，他們將目光投向了太陽K冕亮度的研究。

　　K冕由日冕中自由電子散射太陽光球?qū)拥闹鄙涔舛纬?，K冕的亮度能夠反映日冕中自由電子和離子密度的分布。太陽爆發(fā)活動(dòng)中的日冕物質(zhì)拋射，是日冕物質(zhì)在較短時(shí)間內(nèi)被大規(guī)模拋出太陽表面的現(xiàn)象，是太陽大氣中最劇烈的爆發(fā)活動(dòng)，也是來自太陽最大規(guī)模和最具破壞性的爆炸。日冕物質(zhì)拋射攜帶了大量日冕等離子體，其密度的動(dòng)態(tài)變化與K冕形成機(jī)制極為相關(guān)，K冕的觀測具有重要科學(xué)研究價(jià)值。

　　K冕觀測對日冕儀雜散光抑制水平和日冕儀臺(tái)站的觀測條件要求非常高，兩者缺一不可。因此，能夠觀測到K冕，是日冕儀研究達(dá)到高水準(zhǔn)的一種標(biāo)志。

　　為探究太陽K冕亮度，分析日冕自由電子和離子的密度擾動(dòng)，就需要研制白光日冕儀。依托云南天文臺(tái)承擔(dān)的中科院先導(dǎo)A“鴻鵠專項(xiàng)”子課題“日冕儀臨近空間搭載實(shí)驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)任務(wù)，研究人員在海拔近4800米的四川甘孜州稻城縣不斷進(jìn)行著試驗(yàn)與改進(jìn)。

　　圖9. 四川省甘孜州稻城縣無名山日冕儀試驗(yàn)

　　終于，2021年，由我國自主研發(fā)的白光日冕儀在稻城縣的無名山成功獲得日冕白光像！

　　圖10. 我國科學(xué)家在四川省稻城無名山首次獲得日冕白光像

　　白光日冕儀的成功試驗(yàn)，為K冕研究提供了觀測數(shù)據(jù)，在我國尚屬首次，標(biāo)志著我國的日冕儀研制技術(shù)又邁上了新的臺(tái)階！

　　從無名山走出的奇跡還將繼續(xù)

　　“操千曲而后曉聲，觀千劍而后識器”，科技創(chuàng)新沒有捷徑，求真務(wù)實(shí)才是進(jìn)步的階梯。

　　太陽物理領(lǐng)域的經(jīng)典問題“為什么日冕那么熱”，是《科學(xué)》評選出的當(dāng)代天文學(xué)的八大未解之謎之一。但有關(guān)“日冕加熱”的理論解釋存在諸多爭議，關(guān)鍵是沒有強(qiáng)有力的觀測證據(jù)。如果開展日冕磁場直接測量，或者發(fā)射足夠接近太陽的探測器，在關(guān)鍵技術(shù)和觀測發(fā)方法上獲得突破，將有望獲取“日冕加熱”問題的直接觀測證據(jù)。而日冕儀在這些關(guān)鍵問題研究中都起著重要作用。

　　令人欣喜的是，我國的日冕儀研制隊(duì)伍正在逐漸壯大，腳踏實(shí)地、行穩(wěn)致遠(yuǎn)。在日冕儀研究領(lǐng)域，先后開展了地基日冕儀研制計(jì)劃、SST空間太陽望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃、“夸父”探測計(jì)劃和太陽極軌射電望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃、“子午工程二期”地基光譜成像日冕儀、先進(jìn)太陽天文臺(tái)ASO-S搭載的日冕儀等等。這些未來的“人造日全食”，或許會(huì)讓日全食變得不再“稀有”。

　　我們相信，從稻城無名山走出的奇跡還將繼續(xù)，有科研人員的付出和創(chuàng)造，我們與那個(gè)熾熱的答案之間的距離也將越來越近，期待著下一次的靠近！

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