太陽(yáng)，這顆距離地球最近的恒星，源源不斷地為地球提供光和熱。然而，這顆演化了46億年的星球，還存有諸多未解之謎，靜待人類探索。
如今，人類對(duì)太陽(yáng)的觀測(cè)仰望，又多了一雙“慧眼”。
6月24日，國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目“2.5米大視場(chǎng)高分辨率太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡”（WeHoST）在四川稻城啟動(dòng)建設(shè)配套項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2027年望遠(yuǎn)鏡完成裝調(diào)并投入試運(yùn)行。望遠(yuǎn)鏡建成后，將是目前全世界最大的軸對(duì)稱太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡。
揭開(kāi)太陽(yáng)“成長(zhǎng)”之謎的同時(shí)，該望遠(yuǎn)鏡也將在超新星、伽瑪暴、黑洞潮汐瓦解及恒星耀發(fā)等時(shí)域天文學(xué)觀測(cè)方面探索更多未知答案。
大口徑、高分辨率，可看清太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)和太陽(yáng)爆發(fā)全貌
太陽(yáng)爆發(fā)是災(zāi)害性空間天氣的源頭，太陽(yáng)一旦“打噴嚏”，對(duì)人類的航空航天活動(dòng)，電力、通訊、導(dǎo)航等，都會(huì)形成干擾。有數(shù)據(jù)顯示，太陽(yáng)爆發(fā)每次釋放的能量相當(dāng)于上百億枚原子彈爆炸。
“目前太陽(yáng)研究的焦點(diǎn)問(wèn)題之一是太陽(yáng)爆發(fā)的物理機(jī)制，比如太陽(yáng)為何會(huì)爆發(fā)，太陽(yáng)爆發(fā)是如何釋放能量的，太陽(yáng)爆發(fā)對(duì)地球會(huì)產(chǎn)生什么影響。”WeHoST項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授丁明德介紹，WeHoST的科學(xué)目標(biāo)就是觀測(cè)研究太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)的起源和演化，以及太陽(yáng)爆發(fā)現(xiàn)象，特別是太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射的特征和機(jī)制。
工欲善其事，必先利其器。“目前已有的大型太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡鏡視場(chǎng)小，雖然能夠清晰觀察到太陽(yáng)表面小尺度的精細(xì)結(jié)構(gòu)，但對(duì)于研究太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)和太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。而WeHoST最大的特點(diǎn)就是既有大視場(chǎng)又有高分辨率，可以看到太陽(yáng)爆發(fā)全貌。”中國(guó)科學(xué)院院士、南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授方成表示，WeHoST的觀測(cè)視場(chǎng)擴(kuò)大到7角分，可以看到太陽(yáng)表面直徑30萬(wàn)公里范圍內(nèi)的太陽(yáng)活動(dòng)，比現(xiàn)有的太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)大了三到四倍，能夠覆蓋整個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)。
視場(chǎng)擴(kuò)大的同時(shí)，WeHoST的分辨率也達(dá)到0.1至0.3角秒。“這相當(dāng)于可以看得清太陽(yáng)表面70至200公里范圍的太陽(yáng)局部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，比目前國(guó)內(nèi)國(guó)際一般中小型太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的分辨率提高了三至五倍。”丁明德介紹，這對(duì)于觀測(cè)太陽(yáng)爆發(fā)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程將提供更好的觀測(cè)數(shù)據(jù)。
而作為未來(lái)全世界最大的軸對(duì)稱太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡，WeHoST可同時(shí)對(duì)太陽(yáng)光球?qū)雍蜕驅(qū)拥拇艌?chǎng)進(jìn)行更精準(zhǔn)的觀測(cè)。“太陽(yáng)的絕大部分物質(zhì)是高溫等離子體，太陽(yáng)的物態(tài)、運(yùn)動(dòng)和演變都與磁場(chǎng)密切相關(guān)。太陽(yáng)磁場(chǎng)是研究太陽(yáng)活動(dòng)最重要的物理量之一。”丁明德說(shuō)。
攻關(guān)四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建天地一體化太陽(yáng)觀測(cè)網(wǎng)
茫茫太空中，兩顆來(lái)自中國(guó)的太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星交相輝映，一顆是2021年發(fā)射的太陽(yáng)探測(cè)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號(hào)”，一顆是2022年發(fā)射的先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)“夸父一號(hào)”。
既然已經(jīng)有衛(wèi)星可以近距離觀測(cè)太陽(yáng)，為何還要建地面望遠(yuǎn)鏡？丁明德表示：“相較于空間科學(xué)衛(wèi)星，地面望遠(yuǎn)鏡可以做得更大，使用壽命更長(zhǎng)，而且觀測(cè)的波段不同，WeHoST可以最多以6個(gè)波段同時(shí)觀測(cè)太陽(yáng)光球?qū)雍蜕驅(qū)拥拇艌?chǎng)、光譜和太陽(yáng)單色像。”
方成表示，WeHoST建成后，還可以不斷迭代和升級(jí)，根據(jù)科研需求，增加新的終端設(shè)備，與太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星配合起來(lái)，支撐建立我國(guó)天地一體化太陽(yáng)立體觀測(cè)網(wǎng)。
“目前團(tuán)隊(duì)正在攻關(guān)、逐步驗(yàn)證四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其中最大的技術(shù)難題就是控制太陽(yáng)照射帶來(lái)的熱量。”南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院高級(jí)工程師李臻介紹，太陽(yáng)照射到WeHoST鏡面的熱量可達(dá)5000瓦，幾秒鐘就可以將1升水從常溫加熱至沸騰。雖然鏡面本身可以反射90%以上的熱量，但仍將吸收約500瓦的熱量。
“這部分熱量將使鏡面溫度升高，容易讓鏡面變形，降低光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)指標(biāo)；同時(shí)鏡面溫度高于空氣溫度，與鏡面上方空氣出現(xiàn)熱對(duì)流，容易出現(xiàn)局部湍流，降低鏡面上方大氣的視寧度。”李臻介紹。
而反射的約4500瓦熱量，也將集中到主鏡的主焦點(diǎn)處。為解決望遠(yuǎn)鏡的散熱問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所團(tuán)隊(duì)，采用鏡面背部制冷技術(shù)，在背部均勻布置200多根氣管，組成陣列，以噴射冷風(fēng)的方式帶走鏡面吸收的太陽(yáng)能，同時(shí)還采用自主研發(fā)的專利技術(shù)，吸收主焦點(diǎn)附近的多余能量，通過(guò)控制制冷液的溫度和流速實(shí)現(xiàn)降溫，確保望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
想獲得高分辨率的太陽(yáng)觀測(cè)圖像，需有天時(shí)地利人和。方成介紹，此前中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)有關(guān)單位歷時(shí)10余年在全國(guó)各地選址，最終確定了海拔4700米的稻城縣無(wú)名山。該地具有優(yōu)良的大氣寧?kù)o度和太陽(yáng)觀測(cè)條件，建成后將是世界上海拔最高的太陽(yáng)觀測(cè)臺(tái)站。
在此基礎(chǔ)上，科研團(tuán)隊(duì)又采用地表層自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，以克服地球大氣擾動(dòng)對(duì)圖像質(zhì)量的干擾，進(jìn)一步提高觀測(cè)分辨率。
“目前，望遠(yuǎn)鏡主體還在研制中，團(tuán)隊(duì)還在攻克雙波段多狹縫磁場(chǎng)測(cè)量、多波段成像等技術(shù)，預(yù)計(jì)2026年底完成配套項(xiàng)目基建及望遠(yuǎn)鏡總裝，并進(jìn)行整體性能調(diào)試。”李臻說(shuō)。
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