历尽艰辛,我们迎来了首张太阳的高清特写

本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛。

导语:丹尼尔·井上太阳望远镜拍摄了它的首张太阳特写,以前所未有的清晰度将沸腾的太阳大气展现在我们面前。相关的科研工作将在年内展开。

图解:丹尼尔·井上太阳望远镜在789纳米的波段为太阳的可视表面拍下了这张照片。它的实际颜色应该是深红色,不过这张照片经过了调色处理,以突出每个像素上能捕捉到的光的强度区别。我们第一次能够观测到一些很小的太阳形态特征,其中有的尺寸仅有30千米(18英里)。太阳的可视表面布满了对流室,每一个的大小都相当于一个得克萨斯州。对流室中“沸腾的”等离子体不断地将热量传递至太阳表面。这张照片所涵盖区域的实际大小为51角秒,也就是36500千米(22600英里)。

图源:NSO / NSF / AURA

位于夏威夷海勒卡拉国家公园的丹尼尔·井上太阳望远镜迎来了它的第一张照片。位于上方的这张图片由Visible Broadband Imager (抱歉这个专业名词我实在不确定该如何翻译) (VBI)拍摄而成,为我们细节性地展示了沸腾的太阳大气。

太阳的对流室(也被称作太阳米粒)的大小与一个得克萨斯州相当。我们可以把对流室类比成一壶烧开的水,等离子体在对流室的中央不断上涌,在临近表面的位置逐渐降温,然后再沿着四壁下沉。在这个过程中,对流室得以将热量(以及磁场)从太阳的内部传递到外部大气层,即日冕层。

VBI的16兆像素镜头的清晰度很高,能辨识尺寸小至25千米(15英里) 的结构。在它的帮助下,太阳表面一个哪怕只有曼哈顿大小的区域也能被天文学家清楚地观测到。“能观测到这个系内最大星体身上的最微小细节,我们真的很兴奋。” 井上望远镜的负责人Thomas Rimmele说道。

图解:经过放大处理后我们可以清晰看见,在各个对流室明亮的中心部位都有高温等离子体正在上升。等到温度降低,等离子体就会顺着对流室的四壁下沉,这个过程对应着图中的黑色边框。在这些边框当中,有一些细小而明亮的东西,那是磁场。在过去照片清晰度还没有这么高的时候,这些明亮的小光条一直被当作将能量传输到太阳外层大气(即日冕层)的通道。这张照片所涵盖区域的实际大小为11角秒,即8200千米。与第一张照片一样,它也是一张经过调色处理的789纳米波段的黑白照片。

图源:NSO / NSF / AURA

“出现在屏幕上的那第一张照片完全超出了我的预期,” Rimmele说道,“周围人都说,从没见过我那么高兴的样子。”

井上太阳望远镜的建设时间线

这张拍摄于2019年12月的首照标志着一场漫长的马拉松正式进入冲刺阶段。从2012年12月12日正式动工开始,井上望远镜的建设工程已经进行了将近十年。还有几个月的时间(很有可能就是今年7月),井上望远镜将正式投入使用。现在VBI已经就位了,不过仍有一些设备还没有准备好。

不过,建设竣工不意味着工作的结束 — 在望远镜预计的44年工作生涯中,观测站将一直处于工作状态。而新的设备也会出现,代替被淘汰的技术,保证观测站一直位于研究的最前沿。

图解:丹尼尔·井上太阳望远镜

图源:National Solar Observatory / AURA / NSF

在这几十年里,井上望远镜会见证4个太阳周期,共计11年,期间太阳的磁场活动会经历反复增强与减弱。事实上,就在望远镜刚刚开始运行的时候,太阳正在快速进入第25个周期。

揭开日冕层的面纱

迄今为止,地面望远镜能观测到的部分只是太阳的冰山一角。通常情况下,太阳耀斑会完全遮挡掉日冕层,导致它只有在日全食的时候才能被观测到。日冕层这个名字也的确恰如其分:当日全食发生时,我们能看到发出白光的超高温等离子气流向王冠一样环绕着太阳。

图解:日食期间拍摄的日冕层

如今,在全新的井上望远镜的帮助下,天文学家不仅能观测到日冕层,还能直接测量那些不停地在等离子气流中旋转舞蹈的磁场线。“磁场是一切的关键。” Rimmele说。对井上望远镜及其工作人员来说,要想解开关于太阳的重要谜团,不仅需要能够在9.3亿英里之外清晰地观察那些微小结构(太阳米粒),还需要测量它们的磁场强度以及表层附近的磁场方向,并一直跟进,因为它们会不断向外延展,进入超高温的日冕层。

井上望远镜直径为4米(13英寸)的镜面使天文学家能够收集足够的日光,这样照片就能获取更多的细节,并且为NASA派克太阳探测器(目前已经踏上了它的第四轮旅程,并且十分接近太阳)、欧洲航天局太阳轨道飞行器测量的数据起到良好的补充作用。

图解:派克太阳探测器

图源:NASA

关于散热

成功拍下这第一张高清照片不是件容易的事。望远镜接收日光的同时也接收了大量热量。任何尝试过用放大镜生火的人都能明白聚集日光能产生多大的能量,何况是一个直径为4米的放大镜!

散热的工作需要一些精妙的工程技巧才能完成。主镜本身已经是降温了的,目的是保护镜面。在主镜把日光聚集在一个点上后,光束会进入一个控温装置,也就是一个由液体降温的金属圆环,在日光到达二级镜面之前,它可以拦下95%的热量。这个控温装置同时也起到调控视野的作用,使望远镜的视野被限制在一个直径为5角秒的圆内。

这个控温装置目前还有一些问题工程师无法解决,所以参与了拍摄望远镜首照的只是它的临时版本,这个版本需要在望远镜的定位系统上加一点限制才能运行。“我们在研究如何使它摆脱这种限制也能运行,” Rimmele说道,“这项工作在进行之中,预计在工程结束的时候能被解决。”

通过了控温装置、经由二级镜面反射之后,被大量削弱了的太阳光束会到抵达一面可变形镜面,其直径只有200毫米,背面装由1600个转动装置用于操控它的形状。这面镜子是一个反馈系统的一部分,能够抵消由日光穿过地球大气所产生的“闪烁”效应。

经过修正后,这束日光会进入重150吨的旋转无菌Coudé实验室,分布其中的科研仪器会对日光进行分析并提取数据。这些仪器每天大概能生成9万亿字节的数据,使我们能够更加细节化地了解太阳。

图解:Coude实验室外观

图源:DKIST官网

作者:MONICA YOUNG

FY: Harlekin

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