世界上最先進(jìn)的太陽望遠(yuǎn)鏡剛剛通過其可見光可調(diào)諧濾光片發(fā)出的第一束光開啟了新的探索高度——可見光可調(diào)諧濾光片是一種以原子精度制造的革命性儀器，可以捕捉到令人驚嘆的光譜和磁場(chǎng)細(xì)節(jié)。

這是波長(zhǎng)為λ=588.9nm的太陽窄帶圖像——這是一條著名的太陽鈉線，也稱為“NaD線”。該圖像是在井上VTF近期的首次光合作用中拍攝的，展示了太陽黑子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的解析度，并暗示了通過結(jié)合VTF提供的所有數(shù)據(jù)（圖像、光譜和偏振測(cè)量），可以多么徹底地研究它們。原始圖像中的每個(gè)像素對(duì)應(yīng)于太陽表面10公里（或6.2英里）的距離。圖片來源：VTF/KIS/NSF/NSO/AURA

這項(xiàng)突破標(biāo)志著井上太陽望遠(yuǎn)鏡儀器套件的最后一塊拼圖。早期成果已揭示了復(fù)雜的太陽黑子結(jié)構(gòu)，這暗示著對(duì)太陽耀斑、太空天氣和太陽強(qiáng)大磁場(chǎng)的顛覆性洞察。科學(xué)家們相信，這將為預(yù)測(cè)可能擾亂地球電網(wǎng)和衛(wèi)星的太陽風(fēng)暴帶來關(guān)鍵進(jìn)展。

丹尼爾·K·井上太陽望遠(yuǎn)鏡，世界上最強(qiáng)大的太陽望遠(yuǎn)鏡，已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)重要的里程碑。該望遠(yuǎn)鏡位于毛伊島哈萊阿卡拉山頂附近，由美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的國家太陽天文臺(tái)（NSO）運(yùn)營(yíng)，它使用迄今為止最先進(jìn)的儀器——可見光可調(diào)諧濾光片（VTF），捕捉到了第一束光。

VTF 由德國弗萊堡萊布尼茨太陽物理研究所 (KIS) 研發(fā)，是迄今為止最大的成像光譜偏振儀。這臺(tái)尖端儀器現(xiàn)已成為井上望遠(yuǎn)鏡科學(xué)工具包的核心組件。VTF 拍攝的首張圖像凸顯了該儀器革新太陽觀測(cè)的潛力。

去年，VTF 抵達(dá)天文臺(tái)后，KIS 團(tuán)隊(duì)與 NSO 工程師和科學(xué)家攜手合作，精心重建了 VTF，并將其集成到望遠(yuǎn)鏡的庫德實(shí)驗(yàn)室 (Coudé Laboratory)。這項(xiàng)工作按原計(jì)劃完成了望遠(yuǎn)鏡五臺(tái)第一代儀器的全套安裝。

這是波長(zhǎng)為λ=588.9nm的太陽窄帶圖像——這是一條著名的太陽鈉線，也稱為“NaD線”。該圖像是在井上VTF近期的首次光合作用中拍攝的，展示了太陽黑子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的解析度，并暗示了通過結(jié)合VTF提供的所有數(shù)據(jù)（圖像、光譜和偏振測(cè)量），可以多么徹底地研究它們。原始圖像中的每個(gè)像素對(duì)應(yīng)于太陽表面10公里（或6.2英里）的距離。圖片來源：VTF/KIS/NSF/NSO/AURA

經(jīng)過詳細(xì)的光學(xué)校準(zhǔn)和對(duì)準(zhǔn)，該團(tuán)隊(duì)成功完成了VTF的首次太陽觀測(cè)。最終的圖像清晰地展現(xiàn)了太陽表面的一組太陽黑子，空間分辨率達(dá)到每像素10公里（6.2英里）。這些太陽黑子——強(qiáng)磁場(chǎng)活動(dòng)區(qū)域——通常與強(qiáng)烈的太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射有關(guān)。

盡管VTF仍處于部署的早期階段，但這幅首張圖像已展現(xiàn)出其潛力。該儀器預(yù)計(jì)將于2026年開始正式的科學(xué)驗(yàn)證和調(diào)試。

圖中可見光可調(diào)諧濾光片 (VTF) 標(biāo)準(zhǔn)具由兩塊反射板組成，用于利用其產(chǎn)生的干涉效應(yīng)測(cè)量不同波長(zhǎng)光通量的細(xì)微差異。該標(biāo)準(zhǔn)具的尺寸及其極高的表面質(zhì)量獨(dú)一無二，前所未有。VTF 由德國弗萊堡太陽物理研究所 (KIS) 設(shè)計(jì)和制造，現(xiàn)已被集成到位于夏威夷毛伊島的井上太陽望遠(yuǎn)鏡中，并于近期成功發(fā)射。圖片來源：KIS

井上望遠(yuǎn)鏡專為支持像VTF這樣的復(fù)雜儀器而設(shè)計(jì)。這臺(tái)強(qiáng)大的設(shè)備耗時(shí)超過十年才得以設(shè)計(jì)和制造。這些首次成功的觀測(cè)標(biāo)志著我們向前邁出了重要一步，展示了VTF的精度和性能，并預(yù)示著未來幾年太陽物理學(xué)領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)。

“經(jīng)過這么多年的努力，VTF 對(duì)我來說是一個(gè)巨大的成功，”KIS 聯(lián)合首席研究員、該儀器光學(xué)設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)師 Thomas Kentischer 博士說道。“我希望這臺(tái)儀器能成為科學(xué)家解答太陽物理學(xué)懸而未決問題的有力工具。”

KIS VTF 項(xiàng)目科學(xué)家 Matthias Schubert 博士補(bǔ)充道：“這項(xiàng)技術(shù)成就的意義如此重大，人們可以輕易地說 VTF 是井上太陽望遠(yuǎn)鏡的心臟，它終于在永久的位置上跳動(dòng)了。”

NSO 和 KIS 的工程師和科學(xué)家正在井上太陽望遠(yuǎn)鏡庫德實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)可見光可調(diào)諧濾光片 (VTF) 進(jìn)行調(diào)試，為該儀器的首次發(fā)射做準(zhǔn)備。VTF 目前處于技術(shù)測(cè)試的早期階段，其拍攝的早期圖像令人印象深刻。隨著第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具的到來，數(shù)據(jù)質(zhì)量有望得到改善，之后該儀器將進(jìn)入調(diào)試階段。最終，在科學(xué)運(yùn)行過程中，大量的數(shù)據(jù)處理和分辨率將充分發(fā)揮其潛力。圖片來源：NSF/NSO/AURA

VTF 是一種成像光譜偏振儀，可以捕捉特定波長(zhǎng)的太陽二維快照。不同波長(zhǎng)的光在我們眼中呈現(xiàn)不同的顏色——在電磁波譜的光學(xué)范圍內(nèi)，隨著光從紫色到紅色的變化，波長(zhǎng)會(huì)逐漸增加。

與傳統(tǒng)的光譜儀（將光線像彩虹一樣擴(kuò)散到全光譜）不同，VTF 使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具——一對(duì)間距精確的玻璃板，間隔數(shù)十微米——來調(diào)節(jié)顏色。通過在納米級(jí)（即十億分之一米）調(diào)整間距，VTF 可以連續(xù)掃描不同的波長(zhǎng)，類似于使用不同的濾色鏡拍攝一系列照片。

它使用三個(gè)高精度同步攝像機(jī)在短短幾秒鐘內(nèi)拍攝數(shù)百張不同顏色的圖像，并將這些圖像組合起來，構(gòu)建太陽結(jié)構(gòu)的三維視圖并分析其等離子體特性。

在毛伊島哈萊阿卡拉山頂附近，美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的丹尼爾·K·井上太陽望遠(yuǎn)鏡及其一系列尖端太陽儀器（例如可見光可調(diào)諧濾光片）將為深入了解我們的恒星奠定基礎(chǔ)。圖片來源：NSF/NSO/AURA

VTF 擁有迄今為止為太陽研究建造的最大的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，預(yù)計(jì)第二臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)具將于今年年底從 KIS 運(yùn)抵。

“看到第一批光譜掃描結(jié)果真是一個(gè)超現(xiàn)實(shí)的時(shí)刻。這是望遠(yuǎn)鏡中其他任何儀器都無法實(shí)現(xiàn)的，”國家天文臺(tái)高級(jí)光學(xué)工程師斯泰西·末岡博士說道。“這標(biāo)志著數(shù)月光學(xué)校準(zhǔn)、測(cè)試和跨洲團(tuán)隊(duì)合作的最終成果。即使只有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具，我們也已經(jīng)看到了該儀器的潛力。這僅僅是個(gè)開始，隨著我們完成系統(tǒng)、集成第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具，并邁向科學(xué)驗(yàn)證和調(diào)試，我非常期待看到未來的可能性。”

可見光可調(diào)諧濾光片（VTF）位于井上太陽望遠(yuǎn)鏡儀器實(shí)驗(yàn)室中央，是該望遠(yuǎn)鏡科學(xué)儀器套件的最新核心部件。VTF 已成功連接到井上望遠(yuǎn)鏡的光路，并在經(jīng)過適當(dāng)?shù)膶?duì)準(zhǔn)和校準(zhǔn)后，實(shí)現(xiàn)了首次光觀測(cè)。圖片來源：NSF/NSO/AURA

此外，光以波的形式傳播，而波可以在不同方向上振蕩。偏振測(cè)量法是一種測(cè)量這些光波振蕩方向的技術(shù)。將光譜學(xué)和偏振測(cè)量法結(jié)合起來，你不僅能觀察到光的顏色，還能弄清楚光波在每種顏色下的振蕩方向。某些特征，例如太陽磁場(chǎng)，僅憑觀察光的顏色是無法直觀地看到的；但如果光以特定方式偏振，并且我們能夠測(cè)量它，就能揭示太陽磁場(chǎng)的隱藏細(xì)節(jié)，這對(duì)于理解太陽耀斑和空間天氣至關(guān)重要。VTF 憑借其無與倫比的成像、光譜和偏振測(cè)量能力，使我們能夠從接收到的太陽光中獲得前所未有的完整圖像。

VTF 的核心任務(wù)是通過光譜分離太陽的窄帶圖像，以 Inouye 提供的最高光譜、空間和時(shí)間分辨率 - 即，光譜分辨率能夠分辨出小至中心波長(zhǎng)十萬分之一的波長(zhǎng)范圍；空間分辨率需要 10 公里采樣才能對(duì) Inouye/VTF 可獲得的太陽最精細(xì)細(xì)節(jié)進(jìn)行成像；時(shí)間分辨率為幾秒，儀器可在幾秒鐘內(nèi)獲取數(shù)百張圖像。

這意味著它只需記錄與太陽現(xiàn)象特定屬性相關(guān)的一小段特定波長(zhǎng)，即可拍攝太陽區(qū)域的連續(xù)圖像。在一次觀測(cè)中，它記錄了大約1200萬個(gè)光譜，這些光譜可用于確定太陽大氣不同高度的溫度、壓力、速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度。由此，可以得出高精度的速度和磁場(chǎng)圖，以追蹤20-40000公里（即12-25000英里）空間尺度上太陽現(xiàn)象的演變。

最后，VTF 的偏振測(cè)量功能使我們能夠測(cè)量來自成像區(qū)域的光的偏振，并由此推斷其磁性。通過關(guān)聯(lián)所有這些信息（即空間、時(shí)間、光譜和磁場(chǎng)），我們對(duì)母星的性質(zhì)以及驅(qū)動(dòng)太陽現(xiàn)象的機(jī)制獲得了前所未有的理解。

“當(dāng)強(qiáng)大的太陽風(fēng)暴襲擊地球時(shí)，它們會(huì)影響全球和太空的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。高分辨率太陽觀測(cè)對(duì)于提高對(duì)此類破壞性風(fēng)暴的預(yù)測(cè)至關(guān)重要，”美國國家科學(xué)基金會(huì)國家太陽觀測(cè)站項(xiàng)目主任凱莉·布萊克說道。“美國國家科學(xué)基金會(huì)井上太陽望遠(yuǎn)鏡使美國在全球高分辨率太陽觀測(cè)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，而可見光可調(diào)諧濾光片將完善其最初的科學(xué)儀器庫。”

太陽就像我們家門口的等離子體實(shí)驗(yàn)室。例如，每個(gè)人都熟悉極光，它體現(xiàn)了太陽活動(dòng)對(duì)地球的影響——這是太陽釋放的能量和微小粒子與地球磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果。與地球上的天氣預(yù)報(bào)類似，我們能夠預(yù)測(cè)由太陽能量爆發(fā)引起的地磁擾動(dòng)，正是這些地磁擾動(dòng)形成了這些美麗的極光——但這也可能帶來其他令人擔(dān)憂的影響。空間天氣是指由太陽活動(dòng)驅(qū)動(dòng)的太空條件變化，會(huì)影響地球和太空技術(shù)。在科技日益發(fā)達(dá)的地球上，突如其來的太陽風(fēng)暴可能對(duì)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施造成毀滅性破壞，并使大部分電網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)或空間系統(tǒng)癱瘓。

“井上太陽望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)初衷是研究太陽作為太空天氣驅(qū)動(dòng)因素的物理基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，井上望遠(yuǎn)鏡是像VTF這樣前所未有的先進(jìn)儀器的理想平臺(tái)，”國家天文臺(tái)主任克里斯托夫·凱勒說道。

為了獲得必要的測(cè)量數(shù)據(jù)，使關(guān)鍵預(yù)測(cè)成為現(xiàn)實(shí)，我們需要以原子級(jí)精度制造的尖端儀器。開創(chuàng)性的圖像光譜偏振儀VTF就是提升我們可靠空間天氣預(yù)報(bào)能力所需技術(shù)飛躍的一個(gè)例子。

美國國家科學(xué)基金會(huì)的井上太陽望遠(yuǎn)鏡。圖片來源：NSF/NSO/AURA

丹尼爾·K·井上太陽望遠(yuǎn)鏡是世界上功能最強(qiáng)大的地面太陽觀測(cè)站，旨在捕捉前所未有的太陽細(xì)節(jié)。該望遠(yuǎn)鏡位于夏威夷毛伊島哈萊阿卡拉山頂，由美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）下屬的國家太陽觀測(cè)站（NSO）運(yùn)營(yíng)，于2020年開始運(yùn)行。

井上號(hào)擁有4米主鏡，能夠觀測(cè)直徑小至20公里的太陽特征，使科學(xué)家能夠以極高的清晰度研究太陽表面、大氣和磁場(chǎng)。其高分辨率能力對(duì)于增進(jìn)我們對(duì)太陽活動(dòng)的理解至關(guān)重要，例如太陽黑子、太陽耀斑以及可能影響地球基礎(chǔ)設(shè)施的空間天氣事件。

井上望遠(yuǎn)鏡配備了一套先進(jìn)的儀器，包括新投入使用的可見光可調(diào)諧濾光片（VTF），使科學(xué)家能夠詳細(xì)分析不同波長(zhǎng)和偏振態(tài)的太陽光。這些觀測(cè)有助于解讀驅(qū)動(dòng)太陽行為的復(fù)雜磁場(chǎng)過程。

簡(jiǎn)而言之，井上太陽望遠(yuǎn)鏡代表了太陽物理學(xué)的一次重大飛躍，提供了研究太陽動(dòng)態(tài)行為和改善影響地球技術(shù)和氣候的太陽風(fēng)暴預(yù)測(cè)所需的工具。

編譯自/ScitechDaily