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太陽望遠鏡與普通的光學望遠鏡有哪些區別?現在的太陽望遠鏡能把太陽看清到什麽程度?

2024-01-10科學

太陽望遠鏡與普通的光學望遠鏡有哪些區別?

要回答這個問題,首先要明白什麽是光學望遠鏡,通常我們所說的光學望遠鏡主要集中在可見光範圍,即波長在3800——7500 Å(1 Å = 0.1 nm)。如果在這個背景下,太陽望遠鏡與普通的光學望遠鏡沒有本質的區別,只是在精度、準確度、復雜度、熱控(太陽望遠鏡的關鍵技術)等方面更加專業和系統而已。如果這裏的「普通」是指一般的業余或者民用光學望遠鏡,太陽望遠鏡與之的差別就是增加巴德膜或者濾光片(如色球Hα波段6563 Å寬頻)的差別。( 切記,沒有增加巴德膜等減光措施的望遠鏡一定不能直接看太陽!!!

事實上,根據望遠鏡觀測目的和波段可以簡單分為成像觀測、光譜觀測、射電觀測和高能(X射線、Gamma射線)觀測。很多太陽望遠鏡是同時整合多個觀測裝置的綜合體,如我們正在研制的「2.5公尺大視場高分辨率太陽望遠鏡(WeHoST)」,將是世界上最大的軸對稱太陽望遠鏡,集合了多波段成像觀測系統和多狹縫、雙光束的光譜磁象儀,可同時獲得太陽光球和色球的高精度向量磁場和速度場等。還有中國的第一顆綜合性太陽衛星「誇父一號」(Advanced Space-based Solar Observatory,ASO- S),擁有全日面向量磁像儀(FMG)、萊曼Alpha太陽望遠鏡(LST)和硬X射線成像儀(HXI)三個載荷。

成像觀測 ,顧名思義,就是指直接成像的觀測,它們直接可以看到太陽像。根據濾光器的波段差異,可以看到不同的成像效果。科學研究用與普通民用望遠鏡的主要差別是濾光器的指標非常高,比如頻寬非常窄。通常地面望遠鏡主要是從近紫外、可見光到近紅外波段。如南京大學的「光學和近紅外太陽爆發監測望遠鏡」(ONSET)觀測的3600 Å、Hα 6563 Å以及10830 Å波段的成像,前兩幅圖中黑子附近增亮區域是耀斑(這是一個罕見的環形白光耀斑),He I 10830 Å是中國首次獲得的近紅外單色太陽像。

ONSET觀測的3600 Å 局部像
ONSET觀測的Hα線心局部像
ONSET首次獲得了國內太陽 He I 10830 Å 單色像

空間衛星上搭載的望遠鏡則可以看到更多波段的成像,如極紫外(EUV)、紫外(UV)。比如太陽動力學天文台(Solar Dynamics Observatory,SDO)搭載的大氣成像元件(Atmospheric Imaging Assembly,AIA)觀測的UV、EUV成像。不同波段的觀測展現了太陽大氣不同高度與溫度上千變萬化的活動。例如,在304 Å波段觀測到的從太陽邊緣延伸出來的日珥在其他波段中則顯得很暗;通常在可見光波段看起來很暗的太陽黑子,在紫外波段(1700 Å和1600 Å)則被鑲上了一圈亮帶;在可見光波段看到的點狀耀斑可能在紫外波段展現為若幹亮帶;而由於光球產生的6000克耳文的黑體放射線在極紫外波段(193 Å、171 Å、131 Å)的放射線很弱,在這些波段看到的光球是暗的。

圖為SDO觀測到的太陽多波段影像拼接圖。 波段左起分別為1700 Å、1600 Å、335 Å、304 Å、211 Å、193 Å、171 Å、131 Å以及94 Å。不同波段的觀測展現了太陽大氣不同高度與溫度上千變萬化的活動。
圖為SDO觀測到的太陽多波段全日面像。除了SDO/AIA的UV、EUV觀測,還有SDO/HMI的光球和磁場影像。顏色表示的波段和上一圖一致

光譜觀測 ,則是針對太陽光譜分析而設計的觀測方式。在一個分辨的點位上會獲得不同波長點的強度,這樣的曲線就是一條光譜儀觀測的譜線。通常太陽光譜儀不止觀測一個點,而是在一個方向上有空間分辨率,也就是我們所說的觀測狹縫,這樣得到的不是一條譜線,而是一幅二維的影像,如果狹縫在空間方向掃描,則會得到一個三維的數據,不僅有光譜資訊,也可以同時獲得成像資訊。如我們的「羲和號」衛星(Chinese Hα Solar Explorer,CHASE)搭載的Hα成像光譜儀(Hα Imaging Spectrograph,HIS)。通俗點講,羲和號」衛星就是給太陽做CT檢查。

左圖顯示的對應波長點的成像,右圖是一個點位的譜線輪廓

射電觀測 ,其基本原理和光學反射望遠鏡相似,投射來的電磁波被一精確鏡面反射後,同相到達公共焦點。與光學望遠鏡不同的是,射電望遠鏡既沒有高高豎起的望遠鏡鏡筒,也沒有物鏡和目鏡,而主要由匯聚電磁波的反射面、收集訊號的接收機以及指向裝置三部份構成。大家熟知的「中國天眼」FAST就是典型的射電望遠鏡。太陽射電觀測主要觀測的波段為3mm到40m。例圖為射電動態譜給出射電放射線的強度資訊,縱座標為放射線頻率和橫座標為觀測時間序列。圖片來自山大的陳耀老師的blog,他的blog有很好的科普博文,推薦對太陽射電觀測感興趣的同學去圍觀陳耀老師的blog。

2003年11月1日22:30 - 23:20 UT間由WAVES(1.07 - 13.8 MHz)、BIRS(13.8 - 62.5 MHz)和LEAR(62.5 - 180 MHz)觀測組合而成的太陽射電動態譜。圖片來自陳耀老師的blog(https://blog.sciencenet.cn/blog-685476-563389.html)

射電觀測也可以透過反演技術實作二維成像,不過需要多個射電望遠鏡一起實作,這就是所謂的綜合孔徑成像技術,即把眾多小口徑望遠鏡系統綜合在一起,等效成一個大口徑射電望遠鏡觀測效果,從而獲取到較高空間角分辨的影像。如中國的明安圖射電頻譜日像儀(MUSER),是新一代厘米-分米波日像儀,可在超寬頻帶範圍(0.4-15.0 GHz)同時以高空間分辨率、高時間分辨率和高頻率分辨率觀測太陽動力學過程及探測日冕大氣。

明安圖射電頻譜日像儀(MUSER)
圖為MUSER於2014年12月17日觀測到的一個M8.7太陽耀斑,反演獲得了1.7 GHz射電影像,與日本野邊山日像儀(NoRH)17 GHz射電影像、SDO/AIA 304 Å影像以及SDO/HMI磁場影像的對比,可以看到很好的對應關系。(圖片來自http://old2022.bulletin.cas.cn/publish_article/2018/Z1/2018Z109.htm#rhhz)

2023年9月完成驗收的「千眼天珠」圓環陣太陽射電成像望遠鏡,位於海拔3820公尺的四川省甘孜州稻城縣,由313台直徑6公尺的白色反射面天線組成,天線均勻分布在直徑1公裏的圓環上,圓環中心有一座約百米高的中心定標塔。作為「子午工程二期」的標誌性裝置之一的它,也是目前全球規模最大的綜合孔徑射電望遠鏡。它不僅可以連續穩定高品質監測太陽,也可以在低頻射電巡天、脈沖星、快速射電暴和行星防禦監測預警等領域發揮重要作用。

圓環陣太陽射電成像望遠鏡。(圖片來自http://www.cas.ac.cn/cm/202310/t20231011_4973873.shtml)

X射線等高能觀測 ,其實和射電望遠鏡觀測差不多,也是觀測放射線強度隨時間的變化,只是波段集中在軟、硬X射線(SXR、HXR)波段。具體技術手段也存在差異,比如ASO-S搭載的HXI使用了多達91個子準直器,它們具有不同的節距和角度組合。科研人員透過復雜演算法綜合解讀每個探測器的計數,利用它們之間的相互關系來反演獲得影像。軟X射線望遠鏡中最為熟知的是從1975年開始執行的GOES(Geostationary Operational Environmental Satellites)系列衛星,為空間環境監測、預報、建模提供了大量探測數據。國際天文聯合會1966年決定按地球附近測量到的0.1——0.8nm波段的軟X射線流量把太陽耀斑分為A、B、C、M和X五個級別。檢視GOES衛星的數據就可以知道耀斑的級別。

圖為一幅網站截圖(來自https://www.swpc.noaa.gov/products/goes-x-ray-flux,可以檢視近乎即時的GOES軟X射線流量),左側縱座標給出了流量,右側縱座標則為對應的耀斑級別。

硬X射線代表則是2002年發射的RHESSI(Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager)衛星,其觀測範圍覆蓋了從3 keV的軟X射線波段到20 MeV的伽瑪射線波段,2018年8月16日退休。他除了可以獲得硬X射線流量曲線,也可以透過反演方法獲得成像。我們17年的工作就使用了RHESSI的硬X射線流量曲線和反演成像輪廓研究了一個ONSET觀測到的罕見的白光耀斑。

ONSET觀測到的罕見的白光耀斑的不同波段的光變曲線,其中a圖為GOES和RHESSI不同能段的流量曲線
ONSET觀測到的罕見的白光耀斑的不同波段、時刻的影像,其中g圖中的輪廓圖就是透過反演方法獲得的不同能段的空間分布。

特別值得慶幸和驕傲的是2022年10月9日發射的「誇父一號」衛星搭載的HXI獲得的HXR數據,不僅是中國的首次,也是當下國際上地球視角唯一的太陽HXR射線影像。它接過了RHESSI的接力棒的同時,影像品質也達到了國際先進水平。

「羲和號」和「誇父一號」同時觀測到的一個耀斑影像,其中輪廓圖是HXI的硬X射線反演成像。(圖片由HXI載荷數據科學家蘇楊提供。)

現在的太陽望遠鏡能把太陽看清到什麽程度?

這個問題有空閑時間了再回答:P