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打造洞察太阳的火眼金睛

来源:光明网2021-04-01 16:07

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  太阳是最接近人类的一颗恒星,是人类认识亿万恒星、星系乃至宇宙的一个起始点。

打造洞察太阳的火眼金睛

图1. 太阳在银河系的位置(图源:ESA)

  太阳会产生剧烈的爆发现象,称为日冕物质抛射和太阳耀斑,向行星际空间抛出数十亿吨等离子体物质,发射高能粒子和高能辐射,从而对地球和空间环境造成干扰。

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图2. 太阳耀斑(图源:SDO卫星)

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图3. 日冕物质抛射(图源:SOHO卫星)

  太阳活动涉及磁重联、粒子加速和等离子体抛射等基本物理过程,这些过程在恒星耀发、伽玛射线暴和吸积盘喷流等天体活动现象中都存在。因此,研究太阳活动有两个重要意义,一是准确预报地球附近的空间天气,二是准确理解天体中的基本物理过程。

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图4. 全日面太阳像(图源:SDO卫星)

  太阳的特殊地位还在于,它是唯一一颗可以进行高空间分辨率和高偏振精度测量的恒星。因此,研制大型的太阳望远镜是推进太阳物理研究和天文学研究的必要途径。

  经过多年的调研和论证,“2.5米大视场高分辨率太阳望远镜”(Wide-field andHigh-resolution Solar Telescope, 简称WeHoT)项目于2019年10月12日正式启动建设。该项目的构想是方成院士于2013年提出的。项目由南京大学牵头,中科院南京天文光学技术研究所、云南天文台、紫金山天文台参与合作,计划于2025年前后研制完成。届时,WeHoT将是世界上最大的轴对称太阳望远镜(美国4米DKIST望远镜是偏轴设计)。

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图5. WeHoT设计简图(图源:中科院南京天光所)

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图6. WeHoT启动会现场(图源:WeHoT项目组)

  太阳活动的根源是磁场。太阳磁场产生于太阳内部的发电机过程。内部产生的磁场浮现至表面。太阳大气复杂的运动加剧了磁场的复杂性,从而积累起巨大的自由能,酝酿一次又一次太阳爆发。

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图7. 太阳光球磁场(图源:SDO卫星)

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图8. 太阳爆发的三维磁流体力学模拟(图源:ApJ、NatCo)

  WeHoT的一个基本任务就是通过多波段、多层次、高分辨率的磁场和光谱观测,研究活动区的起源和演化、太阳爆发的储能和触发机制、能量释放和输运机制、加热和动力学演化等问题。

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图9. WeHoT主镜镜坯(图源:WeHoT项目组)

  太阳爆发涉及到各种不同尺度的过程,观测时既需要高分辨率,也需要比较大的视场。目前世界上正在运行的大型太阳望远镜虽然可以提供高分辨率的观测,但其视场大小一般只有2―3角分。特别是在采用自适应光学后,有效视场仅1角分或更小,完全不足以覆盖整个活动区或一次较大规模的爆发现象(5角分以上)。这就严重限制了我们对太阳爆发的全面了解。

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图10. 7角分的视场(黄色圆)可覆盖常见的太阳活动区(图源:BBSO/GST望远镜)

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图11. 大视场、高分辨率的观测才能揭示大耀斑的完整演化过程(图源:SDO卫星和BBSO/GST望远镜)

  如何兼顾高分辨率和大视场是现代天文望远镜研制的关键技术。WeHoT采用了苏定强院士等人提出的SYZ折轴光路设计,采用具有超大视场的地表层自适应光学(GLAO)校正模式,预期在视宁度较好的情况下能达到7角分的有效视场。兼顾大视场和高分辨率正是WeHoT区别于其它大型太阳望远镜最重要的特色,对太阳活动的研究意义重大。

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图12. 正在运行和计划中的大型太阳望远镜的视场和分辨率对比(图源:WeHoT项目组)

  WeHoT的另一个特色是它还兼顾了夜天文的观测。由于其创新的设计,只要简单切换光路系统,它在夜间依然可以正常工作。WeHoT能快速调整指向,因此能对时域天文学研究做出重要贡献,观测目标包括超新星和光学瞬变星、伽玛射线暴、黑洞潮汐瓦解事件、引力波光学对应体、双超大质量黑洞以及系外行星等。

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图13. 超新星爆发(图源:ESO)

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图14. 引力潮汐撕裂事件(图源:Sophia Dagnello / NRAO)

  WeHoT具有先进的设计理念和技术指标,它将提供前所未有的太阳活动的全面和精细的图像,无疑将成为洞察太阳的火眼金睛,是揭示太阳活动区和太阳活动起源的利器。同时,WeHoT也将为我国天文学人才培养做出重要贡献。(赵宇豪)

  作者简介:南京大学WeHoT项目组,主要成员包括方成院士、丁明德教授、陈鹏飞教授、李臻高级工程师、郝奇副教授、吴伟副研究员、朱沁虞助理研究员。

[ 责编:蔡琳 ]
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