太阳的“微表情”，被这项技术看穿

图1：我们心中的太阳

太阳，总是伴随着光和热，为我们带来温暖和希望。但是，太阳也是有脾气的。它平静时如诗如画（太阳宁静区），生气时怒火冲天（日冕物质抛射），因为暴怒，太阳的脸上也会爆痘痘（太阳黑子）。剧烈的太阳活动（太阳风暴）有可能给我们带来巨大的伤害，其向日地空间抛射大量电磁辐射和带电粒子，形成灾害性空间天气，危害人类的航天、通信、电力系统等。相关的危害时有发生，典型的如1989年魁北克大停电，2003年的“万圣节事件”等等。

图2：太阳活动对人类生产生活的影响

 

鉴于太阳他老人家强大的破坏力，我们希望能够通过对他察言观色，来摸清太阳的秉性。希望通过观察太阳细微的表情变化（太阳大气高分辨力成像观测），来预测太阳的情绪变化（空间天气预报），在太阳公公发怒之前，采取防范措施，降低有可能带来的伤害。

新的问题来了，太阳离我们那么远，如何才能看清楚太阳脸上细微的表情变化呢？

 

太阳望远镜“近视”了

 

望远镜是我们探索太空的必备工具，然而即使看似宁静的大气，也始终存在大气湍流的扰动。观测目标发出的光波在通过扰动的大气时会发生畸变，原本可以分辨的细小结构，也会被模糊成一团，使得几米口径的大型光学望远镜的成像分辨率不会超过天文爱好者手中口径为10～20厘米的小望远镜。

于是，天文学家尝试在高山之上寻找优秀的观测站址，如西班牙的特拉里费群岛、夏威夷的莫纳克亚，以及智利的帕拉纳尔等。随着大口径太阳望远镜的发展，人们发现位于水边的观测站更适合白天观测。由于水的比热容非常大，相同热量照射下，在有大面积水域的地方温升要慢的多，白天的气流也会更加稳定，太阳望远镜受到的干扰也就更小。

 

自适应光学：天文望远镜的“矫正眼镜”

 

天文学界这种治标不治本的状态直到20世纪中叶自适应光学（AdaptiveOptics, AO）技术的出现才得以彻底改变。由于地球大气的影响，地面上的望远镜患了近视眼，看远处的东西总是模模糊糊的，而自适应光学技术像一副眼镜，通过实时消除地球大气湍流的扰动，让望远镜重见光明，发挥其极致性能。

在太阳观测领域，我国拥有米级口径的太阳望远镜——云南天文台1米新真空太阳望远镜。在2015年，中科院光电技术研究所太阳高分辨力光学成像技术团队配备了一套151单元高阶太阳自适应光学系统，如图4所示。

图3：自适应光学系统

图4：1米新真空太阳望远镜（左）及其自适应光学系统（右）

 

下一代大视场自适应光学

然而，自适应光学也并不是完美的技术解决方案。目前认为比较有发展潜力的是一种被称为多层共轭自适应光学（Multi-Conjugate Adaptive Optics, MCAO）技术的概念。

如图5所示，传统自适应光学技术，针对某一个方向探测大气湍流累积的波前扰动，并采用一块波前校正器进行补偿。针对探测方向，其校正效果非常理想，但是对于其他视场方向（图中左右两侧），高层大气的扰动信息会丢失，从而使其对应的校正效果变差，其校正视场非常有限。

多层共轭自适应光学使用多个导引星同时探测多个视线方向的波前扰动，并利用大气层析技术，得到不同层湍流引起的波前像差；在后续光路中设置多块变形镜对不同高度的大气湍流进行分层校正，保证整个观测视场内的大气湍流均得到有效补偿，从而实现大视场高分辨力成像观测的目的。

图5：传统自适应光学（左）、地表层自适应光学（中）以及多层共轭自适应光学基本概念和校正效果（太阳图像来自于美国大熊湖1.6m口径太阳望远镜 GST 及其 MCAO 系统）

作为多层共轭自适应光学的衍生品，也是实现 MCAO 的第一步，另一种被称作地表层自适应光学（GroundLayer Adaptive Optics, GLAO）的大视场自适应光学技术，也在近年得到大力发展（图5中）。

我国在多层共轭自适应光学技术方面，近期也取得了突破性进展。中科院光电技术研究所太阳高分辨力光学成像技术团队在饶长辉研究员的带领下，针对云南天文台1米新真空太阳望远镜，成功研制了太阳多层共轭自适应光学系统原理样机，并在2017年国庆期间实现对太阳活动区的大视场闭环校正成像观测，在国内首次利用 MCAO 技术获取到太阳活动区大视场高分辨力实时图像（图6所示）。该试验的成功，标志着我国在下一代自适应光学技术领域取得重大突破，使我国成为继美国和德国之后，第三个掌握太阳多层共轭自适应光学技术的国家。

图6： 2017年10月5日太阳活动区 NOAA 12683 的开环、 GLAO 闭环以及 MCAO 闭环图像（成像波段及带宽：7057@6Å）

后续科研人员将基于现有技术发展出新的天文观测仪器，获得大量高质量的数据。但是如何根据太阳活动来判断太阳公公的脾气秉性，还有一段较为漫长的路要走。毕竟，摸清一个人的脾气秉性都需要一段不短的相处时间，更何况是在1.5亿公里以外的太阳。从科学的角度来说，需要基于大量高分辨力成像数据，进行物理建模或者是基于大数据的统计方法来逐步了解太阳的活动规律，并在后续的观测中进一步验证和完善这种规律，最终实现对太阳活动的准确认识，并开展准确的空间天气预报。

作为一门观测学科，天文技术的突破和新一代天文学仪器的研制直接驱动天文学的发展，进而拓展人类的认知范围。自适应光学以及多层共轭自适应光学技术的发展和运用，将帮助太阳物理学家看到更加清晰、更加精细、更加动态化的太阳活动，加深人类对恒星乃至宇宙的认识，也将为太阳物理研究和空间天气预报提供强有力的数据支撑。

来源：中国科学院光电技术研究所