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借我一双慧眼吧
2016-7-2 9:56:43本站原创 】 【收藏】 【打印

借我一双慧眼吧

16-06-27
支教地理吧
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借我一双慧眼吧

——云南天文台FASOT研制团组

太阳带给我们生命,能量和生机勃勃的一切。然而,它暴怒的时候也会给我们带来灾难,如存在于地球和太阳之间的灾害性空间天气极大地影响了我们的空间生存环境。为了越来越深入探究可能带给我们地球灾难的源泉,太阳物理学家们需要不断改进观测太阳的仪器—太阳望远镜。光纤阵列太阳光学望远镜(FASOT)就是为了更快地看清楚太阳大气中各层次的物理现象尤其是其磁场结构应运而生的一双“慧眼”。

1. 为何太阳物理学家需要不断改进观测仪器

获得太阳剧烈活动清晰的物理图像从而理解活动爆发的物理机制是太阳物理学家百年多来不懈追求的目标,因而成为太阳物理研究的前沿。经过太阳物理学家多年的努力,目前我们已经获得这些太阳爆发大致的物理图像和机制,即它们是太阳内部物质和能量从光球经由色球再到日冕传输过程中磁场能量不断积累最后通过磁重联机制释放的结果。为了预报这些太阳活动现象何时爆发,需要我们对形成于大气下面(对流层)的磁场在向上浮现进入太阳大气中的演变(磁场浮现出来后与物质相互作用,延伸到太阳大气最外层空间—日冕的过程中位形变化)进行实时的监视,以便太阳物理学家能够预报不同类型的太阳大气爆发现象(如太阳耀斑,暗条或日珥爆发,日冕物质抛射和喷流等)。目前,我们仍然缺乏关于这种传输过程和磁重联物理过程明晰的观测证据。这主要是因为我们还没有能对磁场、视向速度和热力学参量等物理量进行多层次精确解析能力的仪器,使得我们能“看到”物质和能量从光球底层经过温度极小区、色球底层和中高层、过渡区直到日冕的传输过程,尤其是此过程中矢量磁场位形如何最终以非势能形式积聚,通过磁重联形式释放的精细过程。这对于太阳活动的预报是至关重要的。


  

图1 太阳活动现象。太阳耀斑(上)和日冕物质抛射(下)


       FASOT 将是世界上第一台能够对产生太阳大气爆发的活动区域同时对形成于不同大气层次的多条谱线进行偏振成谱成像来获得大气中各个层次的磁场结构、热力学状态和运动信息的仪器。它将具备对与磁场密切联系的太阳快速和瞬变现象进行时间显微的独特优势,使太阳物理学家随时能跟踪磁场位形在不同大气层次的变化从而预言太阳活动可能爆发的概率,使我国太阳观测研究跃上新的台阶。FASOT也将为我国空间天气监测、预报和预警提供国际先进的硬件保证,也为我国发展光纤深度技术及其应用做出贡献。

2. 太阳磁场测量原理

太阳光是太阳大气中粒子发出的电磁波。不同于声波,其振动沿传播方向而称为纵波,电磁波是横波,即电场和磁场振动方向与光波行进方向垂直。在一定条件下横波在与行进方向垂直的波前平面内其振荡运动轨迹有迹可循,而非随机振动使得随时间变化的轨迹杂乱无章。这一特性成为偏振,即振动具有一定的偏向性和规律性。目前,对太阳大气中磁场的测量首先是基于著名的塞曼效应(第二个获得诺贝尔物理学奖项目),即由于原子和离子具有磁矩,在磁场存在条件下发射或吸收的谱线不仅会分裂为几条子线,而且这些子线是偏振的,其次还要考虑塞曼效应产生的线偏振面在磁场中会产生旋转(法拉第旋转)以及线偏振和圆偏振之间相互转换(福依特脉动)。此外,不像在地球实验室,在太阳大气中粒子温度达到几千度直到几百万度,几条支线分开的裂距往往远小于各子线被热加宽的宽度,因此需要对特定的对磁场敏感的谱线进行强度和偏振态分析才能得到谱线形成区域的磁场精确信息。这是一个十分复杂的反演问题。目前,在天文测量中最适合描述偏振的最好方法是英国科学家斯托克斯于170多年前给出的斯托克斯参量,该参量随波长变化的图样称为斯托克斯光谱。我们正是基于以上所说的原理对这些光谱进行分析和模拟来得到磁场矢量的精确信息(磁场大小,倾角和方位角)。因此,要测量太阳磁场,首先要得到太阳的斯托克斯光谱,其次再对这些个光谱进行分析处理才能达到预想的科学目的。

3. FASOT 的结构特点

FASOT的结构特点取决于创建她时拟定的科学目标,即同时利用宽波段范围内多条谱线实现二维(投影平面)观测区域内各空间点实时高精度斯托克斯成谱成像观测。因此,所有的设计均是围绕实现这一观测目标而做出。由于较弱矢量磁场(特别是在色球)的精确测量是最难达到和最有价值的功能,因此高精度偏振测量是被FASOT最重视的功能,故整个设计围绕偏振分析器中偏振光学开关功能的实现展开,其它仪器部分必须和其具有相容性。偏振光学开关是近来国外发展起来的技术,它极大地降低了偏振测量时的噪声水平,提高了信噪比,由此实现高精度偏振测量。

在以前的太阳成谱成像的观测中,由于我们的探测器是两个维度(即平面探测器),要得到光谱,只能让太阳光通过一条狭缝(占用一个纬度),然后照射到光栅上在与狭缝垂直的方向上进行色散。要得到所观测二维区域的光谱成像,必须将狭缝沿垂直于狭缝方向进行空间扫描。这样使得观测时间过长,即时间分辨率很低。而积分视场单元(IFU)解决了二维观测区域一次性成谱成像问题。IFU由微透镜阵列和与之耦合的光纤束构成,太阳像通过微透镜阵列分割成若干细小部分后,聚焦进不同的光纤中。我们将其前端二维(平面)分布的微透镜安装在望远镜成像的地方(焦面),然后在IFU后端将接收到光线的光纤重新编组(利用了光纤特性),分成若干个狭缝分别在若干台相同的分光仪器(光谱仪)进行色散,然后根据微透镜阵(分解太阳像)中各单个微透镜以及对应的光纤的排列位置和顺序由软件进行图像重建。

FASOT在国际上首次将IFU与获得高精度偏振的光学开关结合起来,设计出为获得高精度偏振测量需要积分视场单元成对的模式,由此实现在高偏振测量精度条件下同时光球和色球多条谱线斯托克斯成谱成像,使得测量太阳大气的磁场结构更加准确和迅速。这一对IFU结构是FASOT最突出的结构特征,使得FASOT具有一双“慧眼”,类似于自然界中巧夺天工的成对昆虫复眼(见图2)。通过比较昆虫复眼和FASOT一对IFU的结构,可以看出昆虫复眼的角膜和晶锥相当于FASOT的IFU前端的微透镜收集光线,其视杆对应IFU的光纤来将光线传输到感光的色素细胞(对应FASOT的光谱仪)和基膜(对应望远镜最后的探测器CCD)。由于FASOT提出者和其学生设计出宽波段高效率偏振测量仪器(Xu, Qu等人,Applied Optics, 2006, Vol.45,p8428)使得这一对慧眼能在很宽的波段范围观测太阳辐射的强度和偏振。而这一波段包括了形成于太阳大气不同层次的谱线,对这些谱线的辐射强度和偏振态进行分析模拟就能够使观测者获得不同层次的磁场和其他物理信息。由此可见,有了这双慧眼,FASOT将极大地促进太阳磁场测量功能的发展。

自从FASOT方案公布以来,它已经引起国际太阳界的特别注意。国际最著名的太阳物理学家之一J.O.Stenflo教授不仅参加了第3次和第5次FASOT研讨会,并且受邀将担任FASOT科学委员会外方主席。他高度地评价了FASOT设计思想,在他签名的推荐信中指出FASOT的创新性后,认为它“可能开启新一种类型太阳观测仪器”。

图2 FASOT 包含的一双“慧眼”。它由微透镜阵列和与之耦合的光纤束构成。



图3蜻蜓的复眼结构。其角膜相当于FASOT 积分视场单元(IFU)里的微透镜,其视杆对应IFU 的光纤。


图4 FASOT 原理样机

4. FASOT 研制取得的成绩

利用FASOT的多谱线高偏振测量精度成谱成像高时间分辨率的功能,可以发现目前尚未发现的与磁场密切联系的太阳大气中快速变化的周期性和非周期性现象,对磁场、动力学和热力学等关键物理量分层结构进行高时间分辨率和高精度的解析,追踪物质和能量从光球底层到色球上层的相互作用和传输过程,通过解决长期困扰太阳物理研究的难题。同时也可依托于这些测量结合大视场观测仪器进行空间天气监测、灾害性空间天气预报和预警。FASOT将成为对国内外开放的望远镜,吸引国内外太阳物理学家和研究生进行观测。

FASOT 团组在研制FASOT过程中在国际上第一次获得太阳闪耀偏振光谱,并且结合大视场成像观测的经验,提出了用特殊偏振图谱识别太阳边缘结构的方法。这些成果发表在国际一流学术期刊上。此外,在处理资料的过程中,在国外发明的偏振光学开关基础上,改进了观测方式,得到了约化偏振光学开关技术,使得在同样的偏振测量精度的情况下时间分辨率提高一倍,数据存贮量减少一倍。由于对日全食观测创新性贡献,团组首席屈中权研究员成为国际天文联合会(IAU)日食工作委员会核心成员(http://sites.williams.edu/iau-eclipses/members/)。由于FASOT 鲜明的创新性和其具有的强大功能,屈中权研究员作为科学组织委员会(SOC)成员和地方组织委员会主席于2013 年9月9日-13日在昆明世博花园酒店成功举办了国际太阳偏振研究领域的最具权威的学术系列会议的第7次会议(SPW7),并且将作为科学组织委员会成员出席2016年9月在意大利佛罗伦莎举办的SPW8 会议。

图5 2013 年11 月3 日加蓬日全食期间FASOT 原理样机采集到的闪耀光谱,犹如一串串珍珠串连在连续谱背景线上。


图6 FASOT的国际影响。SPW7会议期间,国外专家参观FASOT 原理样机。


5. FASOT 的将来

FASOT将历经三代发展阶段。第一代FASOT为其原理样机,研制目的是为了在工程上实现多条谱线偏振成谱成像以及偏振光学开关应用于IFU的关键技术。它获得了国家自然科学基金委和中国科学院天文联合基金重点项目支持,已多次用于不同波段日全食偏振成谱成像观测,该阶段已经于2014年2月完成。由于FASOT原理样机的研制成功,特别是它实现了最基本也是其最关键的多条谱线在偏振光学开关运行下的斯托克斯成谱成像关键技术,标志着FASOT在主要技术原理上已经不存在着根本的障碍。目前第二代FASOT研制成为国家自然科学基金资助的国家重大科研仪器研制专项项目(项目批准号11527804)。相比于第一代FASOT,它具有更大口径、更高光谱分辨率、更高空间分辨率且可进行常规太阳偏振成谱成像的观测能力。第二代FASOT预计2020年完成。在2020年以后,第三代FASOT将比第二代FASOT在性能方面有更大的跃升。特别地,自适应和主动光学将被运用到这代FASOT上,图像分割器的运用也将使得在进行高空间分辨率观测的情况下,FASOT能观测的区域变得更大(视场变大),与那时国际上最先进的望远镜并驾齐驱。

图7 正在建造的第二代FASOT。


感言:

屈中权研究员

感言:作为长期从事天文学研究领域的科研人员,FASOT的提出和实施将是20多年科研生涯的结晶。热爱科研并为科研献出自己的一生是人生的乐趣源泉。在未来5年的研制过程中将带领团组成员进行艰苦的努力,加强国内外的合作,为我国太阳物理研究做出贡献。




        宋智明

感言:天高任鸟飞,海阔任鱼跃。借着自己对技术的热爱,很幸运我加入了天文台这支队伍!但专业不符,文凭不高的我在这里倍感压力!在老师的鼓励和同事的帮助下,我的工作慢慢步入正轨!我变得越来越热爱这份职业!不管上班下班我都通过各种渠道来丰富我的天文技术知识,我坚信:勤能补拙,天道酬勤。总有一天,我会到达理想的彼岸。




钟悦

感言:2015年,博士毕业的我怀着一颗对天文技术的好奇心从上海来到云南,有幸加入到云南天文台的光纤阵列太阳光学望远镜研制团组,开始了自己的科研生涯。我对新知识充满了渴望,在同事们的帮助下,我受益匪浅,进步较快,我享受着工作给我带来的快乐。我愿不断学习、探索新的天文技术方法,与我们的团队一起共同进步。




李少英

感言:宇宙之大无奇不有,只是以我们人类目前水平还没发现一些新事物,新现象。来到了云南天文台使我有机会与天文相接触,为天文技术服务。怀着一颗好奇心和不断学习探索的思想,使我踏上了探索宇宙的航程。感谢所有的朋友和亲人,我将继续努力前行,为天文技术添砖加瓦。



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