出品：科普中國

作者：張雪飛 劉煜 趙明宇（中國科學(xué)院云南天文臺）

監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

“夕日缺虧彎似月，百年不遇現(xiàn)皇都”。

日食是一種比較稀有的天文現(xiàn)象，日全食就更為罕見。作為日食中最完美的現(xiàn)象，每一次日全食都是一場“天文盛宴”，被世界各地的天文工作者視為解開太陽物理領(lǐng)域諸多謎題的良好時(shí)機(jī)。

圖1. 日全食時(shí)觀測的日冕綠線和日冕紅線結(jié)構(gòu)（Hubbal et al.2011）

現(xiàn)在，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，罕見的日全食觀測，或許將不再“罕見”。

日全食，天文學(xué)家的“盛宴”

日全食，就是在地球上某一位置的太陽光被月亮完全遮住的天文現(xiàn)象。

當(dāng)日全食發(fā)生時(shí)，最光輝燦爛耀入眼睛的是“貝利珠”。其實(shí)，這是從月亮邊緣起伏的山谷中穿過來的日光。

圖2. 日全食時(shí)的“貝利珠”現(xiàn)象（圖片來源：Veer圖庫）

但日全食最主要觀測的是日冕，因?yàn)槿彰岬幕顒訉Φ厍蛴兄匾绊懀已芯咳彰崾墙鉀Q太陽物理領(lǐng)域重大未解之謎的必經(jīng)之路。

那么，什么是日冕呢？

圖3.太陽結(jié)構(gòu)（圖源：Wikipedia）

我們?nèi)庋劭梢姷氖枪馇驅(qū)?，?strong>日冕是太陽大氣的最外層，起始于色球?qū)又希蛲庖恢毖由斓叫行请H空間，形成連續(xù)向外流動的太陽風(fēng)。

俗話說得好，“外行看熱鬧，行家看門道”。當(dāng)日全食發(fā)生時(shí)，對天文學(xué)家而言，真是觀測的好機(jī)會，可以做太多太多研究了！

比如：測算太陽輻射對地球電離層的影響；研究日冕復(fù)雜的形態(tài)學(xué)和活動現(xiàn)象；開展日冕區(qū)域的電子密度和溫度研究；尋求太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射觸發(fā)機(jī)制的觀測證據(jù)；尋找太陽黑子變化的成因；查證太陽磁場與日冕結(jié)構(gòu)和活動的相互作用；深入探索影響近地空間環(huán)境和驅(qū)動日地空間災(zāi)害性天氣的源動力，為災(zāi)害性空間天氣預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖4. 日全食是開展太陽物理研究的好機(jī)會（圖片來源：Veer圖庫，編輯有改動）

可惜的是，這種“良機(jī)”不是天天有。而且，真正全食的持續(xù)時(shí)間其實(shí)很短，對于天文研究人員來講，能獲取的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

怎么辦呢？

機(jī)會少，那我們就創(chuàng)造機(jī)會！一種“人造日全食”的方案，被提了出來。

數(shù)量不夠，人造來“湊”

天文學(xué)家通過“人造月亮”，研制了一種特殊的天文望遠(yuǎn)鏡——日冕儀，開啟了非日全食時(shí)的日冕觀測時(shí)代。

對于解決日冕物質(zhì)拋射的產(chǎn)生問題，以及為日冕加熱等科學(xué)問題尋找答案來說，日冕儀的出現(xiàn)都意義非凡。

簡單說，可以把它理解成一種安裝了遮擋盤的望遠(yuǎn)鏡，功能就是在沒有日全食時(shí)，通過儀器的特殊結(jié)構(gòu)模擬太陽在日全食時(shí)的影像，進(jìn)行日冕觀測。

傳統(tǒng)的日冕儀按組成結(jié)構(gòu)可分為：內(nèi)掩式、外掩式。

內(nèi)掩式日冕儀是將物鏡放置在望遠(yuǎn)鏡前端，在物鏡成像的一次像面處設(shè)置一遮擋板（內(nèi)掩體），該遮擋板就相當(dāng)于日全食時(shí)的月亮。壯觀絢麗的日冕光通過二次成像系統(tǒng)，就能進(jìn)入我們的視線。

它長下面這樣：

圖5. 傳統(tǒng)內(nèi)掩式日冕儀成像原理示意圖（袁鴻昌等，2019）

外掩式日冕儀是在物鏡前端安置遮擋板（外掩體），遮擋太陽直射光，日冕光經(jīng)物鏡一次成像后，進(jìn)入準(zhǔn)直系統(tǒng)，并經(jīng)二次成像系統(tǒng)，盡收眼底。

用日冕儀觀測到的日冕是這樣的：

圖6. 數(shù)據(jù)由麗江日冕儀觀測站提供

日冕儀雖好，卻不容易造，也不是萬能的

和朋友聊天的時(shí)候，經(jīng)常會聽到大家對日冕儀的一些誤解。

比如，不少人會說，這日冕儀可太好了，有了它，豈不是每天都可以看日全食，Paper發(fā)不停？

當(dāng)然不是！

首先，“人造日全食”并不容易。它需要攻克兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：一是日冕儀雜散光的抑制能力，二是為日冕儀的地面觀測選擇臺址。

在觀測中，除了我們想要觀測的日冕的光，其他光都是雜散光，包括太陽直射光，玻璃材料不夠純凈、有雜質(zhì)引起的散射光，甚至光學(xué)組件邊緣的衍射光，等等。在設(shè)計(jì)日冕儀的時(shí)候，需要進(jìn)行建模分析，通過設(shè)置掩體、運(yùn)用高精尖拋光技術(shù)、選用優(yōu)質(zhì)玻璃等種種操作，把雜散光盡量消除。

但是，因?yàn)槿彰岬牧炼缺忍柟馇驅(qū)右岛芏啵ㄎ覀円话阌肂⊙表示日面中心亮度，日冕能暗到10-5～10-13B⊙），所以難度非常大。

日冕儀組裝完成后，距離“人造日全食”就更近一步了。

不過，要想成功獲得“人造日全食”，還有關(guān)鍵一步，就是需要優(yōu)良的日冕儀觀測臺站。

看太陽，還需要挑選地方？

當(dāng)然！

日冕光從太陽傳輸至地面日冕儀的入射窗口，其實(shí)可以分為兩個(gè)過程：第一階段是日冕光經(jīng)行星際空間傳輸至地球大氣上界；第二階段是經(jīng)地球大氣，從地球大氣上界傳輸至地面日冕儀窗口。

圖7. 日冕可見光輻射中K、F、E冕分量隨高度的變化（涂傳詒等.2020）

在第一階段，日冕光不受地球大氣擾動影響，可以認(rèn)為很穩(wěn)定。在第二階段，日冕光經(jīng)大氣上界傳輸至地面日冕儀窗口，主要受到大氣散射和氣溶膠吸收的影響。即使在一些空氣非常稀薄的高山上，大氣散射的量級也能達(dá)到10-5-10-6B⊙。

所以，在地面上開展日冕儀觀測，必須進(jìn)行日冕儀臺站選址工作。

我國日冕儀研究起步雖晚，正在加速追趕中

其實(shí)，早在1930年，世界上第一臺日冕儀就誕生了。

圖8. 法國人B.Lyot在開展日冕觀測（圖源：Wikipedia）

法國人B. Lyot發(fā)明了內(nèi)掩式日冕儀，在海拔2870米大雪之后的比利牛斯山上，成功觀測到日冕，這是人類向“人造日全食”邁出的“里程碑”式一步。

自此之后，隨著觀測目標(biāo)和加工工藝的不斷改進(jìn)，瑞士、德國、美國、俄羅斯等國家先后將日冕儀作為地面常規(guī)設(shè)備，開展了日冕連續(xù)觀測。日冕儀的探測視場、時(shí)間/空間分辨率、雜散光抑制水平不斷提高，并由地面觀測步入了自主空間探測。

目前，日冕儀已經(jīng)成為太陽物理和空間天氣科學(xué)研究和監(jiān)測的必不可少儀器。

那么，我國的日冕儀研究狀況如何呢？

與發(fā)達(dá)國家相比，我國日冕儀研制起步較晚，最早的日冕儀研制始于南京。1959年6月由南京大學(xué)組織在甘肅祁連山朱龍關(guān)地區(qū)開展日冕儀測試，但受到了當(dāng)時(shí)儀器簡陋和觀測環(huán)境的限制，未能成功拍攝到日冕圖像。

幾十年后，我們中國西部太陽選址隊(duì)伍攜帶科學(xué)設(shè)備先后考察了新疆、西藏、寧夏、青海、四川和云南等省市的60多處址點(diǎn)。通過科學(xué)分析，結(jié)合交通、氣象氣候要素、地理地質(zhì)條件、社會和人口發(fā)展等方面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，獲得了數(shù)個(gè)較理想的日冕儀臺站候選點(diǎn)。

如今，在國際合作的基礎(chǔ)上，我們于2013年在海拔3200米的云南天文臺麗江天文觀測站完成了日冕儀的建設(shè)。這不僅開啟了我國非日全食時(shí)的日冕觀測，而且證明了我國西部高海拔地區(qū)的確存在符合地基日冕儀觀測的優(yōu)良址點(diǎn)，為我國日冕儀的研制，夯實(shí)了基礎(chǔ)。

經(jīng)過對日冕儀不斷升級改造，并與國內(nèi)重點(diǎn)大學(xué)、研究所開展交流合作，?2017年，團(tuán)隊(duì)又完成了麗江日冕儀高海拔實(shí)驗(yàn)基地的建設(shè)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還集中了優(yōu)勢力量開展與山東大學(xué)（威海）、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、中國科技大學(xué)、國家天文臺、紫金山天文臺等單位的合作。

功夫不負(fù)有心人，2018年10月22日，我國自主研制的日冕儀樣機(jī)在麗江日冕儀高海拔試驗(yàn)基地成功獲得了綠線日冕圖像！

這次試驗(yàn)的成功是我國在日冕儀關(guān)鍵技術(shù)上的歷史性突破，標(biāo)志著我國已經(jīng)步入國際日冕儀研制梯隊(duì)。

雖然取得了這樣的突破，但科學(xué)家們心里都非常清楚，我們和國際第一梯隊(duì)還有不小的距離。因此，在成功獲得日冕圖像后，科學(xué)家們馬上投入了新的研究。

這一次，他們將目光投向了太陽K冕亮度的研究。

K冕由日冕中自由電子散射太陽光球?qū)拥闹鄙涔舛纬桑琄冕的亮度能夠反映日冕中自由電子和離子密度的分布。太陽爆發(fā)活動中的日冕物質(zhì)拋射，是日冕物質(zhì)在較短時(shí)間內(nèi)被大規(guī)模拋出太陽表面的現(xiàn)象，是太陽大氣中最劇烈的爆發(fā)活動，也是來自太陽最大規(guī)模和最具破壞性的爆炸。日冕物質(zhì)拋射攜帶了大量日冕等離子體，其密度的動態(tài)變化與K冕形成機(jī)制極為相關(guān)，K冕的觀測具有重要科學(xué)研究價(jià)值。

K冕觀測對日冕儀雜散光抑制水平和日冕儀臺站的觀測條件要求非常高，兩者缺一不可。因此，能夠觀測到K冕，是日冕儀研究達(dá)到高水準(zhǔn)的一種標(biāo)志。

為探究太陽K冕亮度，分析日冕自由電子和離子的密度擾動，就需要研制白光日冕儀。依托云南天文臺承擔(dān)的中科院先導(dǎo)A“鴻鵠專項(xiàng)”子課題“日冕儀臨近空間搭載實(shí)驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)任務(wù)，研究人員在海拔近4800米的四川甘孜州稻城縣不斷進(jìn)行著試驗(yàn)與改進(jìn)。

圖9. 四川省甘孜州稻城縣無名山日冕儀試驗(yàn)

終于，2021年，由我國自主研發(fā)的白光日冕儀在稻城縣的無名山成功獲得日冕白光像！

圖10. 我國科學(xué)家在四川省稻城無名山首次獲得日冕白光像

白光日冕儀的成功試驗(yàn)，為K冕研究提供了觀測數(shù)據(jù)，在我國尚屬首次，標(biāo)志著我國的日冕儀研制技術(shù)又邁上了新的臺階！

從無名山走出的奇跡還將繼續(xù)

“操千曲而后曉聲，觀千劍而后識器”，科技創(chuàng)新沒有捷徑，求真務(wù)實(shí)才是進(jìn)步的階梯。

太陽物理領(lǐng)域的經(jīng)典問題“為什么日冕那么熱”，是《科學(xué)》評選出的當(dāng)代天文學(xué)的八大未解之謎之一。但有關(guān)“日冕加熱”的理論解釋存在諸多爭議，關(guān)鍵是沒有強(qiáng)有力的觀測證據(jù)。如果開展日冕磁場直接測量，或者發(fā)射足夠接近太陽的探測器，在關(guān)鍵技術(shù)和觀測發(fā)方法上獲得突破，將有望獲取“日冕加熱”問題的直接觀測證據(jù)。而日冕儀在這些關(guān)鍵問題研究中都起著重要作用。

令人欣喜的是，我國的日冕儀研制隊(duì)伍正在逐漸壯大，腳踏實(shí)地、行穩(wěn)致遠(yuǎn)。在日冕儀研究領(lǐng)域，先后開展了地基日冕儀研制計(jì)劃、SST空間太陽望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃、“夸父”探測計(jì)劃和太陽極軌射電望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃、“子午工程二期”地基光譜成像日冕儀、先進(jìn)太陽天文臺ASO-S搭載的日冕儀等等。這些未來的“人造日全食”，或許會讓日全食變得不再“稀有”。

我們相信，從稻城無名山走出的奇跡還將繼續(xù)，有科研人員的付出和創(chuàng)造，我們與那個(gè)熾熱的答案之間的距離也將越來越近，期待著下一次的靠近！

參考文獻(xiàn)：

1. Xia,L.D.,Marsch, E. and Curdt, W., On the outflow in an equatorial coronal hole,Astron. & Astrophys.,399,L5-L9,2003.
2. Tian, H., Marsch, E., Tu, C.-Y.,Xia, L.-D., He, J.-S., Sizes of transition region structures in coronal holes and in the quiet Sun,Astron.Astrophys.,482(1),267-272,2008.
3. Evans,J.W., The Sun Edited by Gerard P. Kuiper, The University of Chicago Press.,Chicago (1953).
4. Tian H , Tomczyk S , Mcintosh S W , et al. Observations of Coronal Mass Ejections with the Coronal Multichannel Polarimeter.2013.
5. 蘇定強(qiáng),日冕儀的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,1959（01）：9-24.
6. Wang,Yuming；Ji,Haisheng;Wang,Yamin;Xia,Lidong et al.Concept of the Solar Ring Mission:Overview[J].Science China Technological Sciences,2020.
7. M. N. Gnevyshew, G. M. Nikolsky, A. A. Sazanov. The Lyot-coronagraph with 53cm objective[J]. Solar Physics, 1967,2(2):232-226.
8. 涂傳詒，宗秋剛等. 日地空間物理學(xué)(上冊)[M]. 科學(xué)出版社, 2020.
9. 袁鴻昌，張紅鑫，孫明哲. 內(nèi)掩式日冕儀衍射雜散光抑制方法[J].中國科學(xué)，2019（11）：1343-1349