'Raindrops in the Sun's corona': New adaptive optics shows stunning details of our st

正如发表在《自然·天文学》上的文章所述，这项开创性的“日冕自适应光学”技术产生了迄今为止最令人惊叹、最清晰的日冕精细结构图像和视频。这一进展将为我们更深入地理解日冕的神秘行为和驱动空间天气的过程打开大门。

迄今最详细的日冕图像公布

由美国国家科学基金会（NSF）资助、安装在新泽西理工学院（NJIT）太阳-地球研究中心（CSTR）在加州大熊湖太阳观测台（BBSO）运营的1.6米古德太阳望远镜（GST）上，“Cona”——这套负责生成这些新图像的自适应光学系统——能够补偿地球大气中空气湍流引起的模糊效应，类似于乘客在飞行中感受到的气流颠簸。

“空气中的湍流严重降低了我们通过望远镜观测到的太空物体（如太阳）的图像质量。但我们可以对此进行校正，”领导该项目开发的国家太阳天文台（NSO）自适应光学科学家德克·施密特（Dirk Schmidt）说。

该团队引人注目的观测成果之一是一部影片，记录了一个快速重构的太阳日珥，揭示了其内部精细的湍流。太阳日珥是巨大而明亮的特征结构，通常呈现为从太阳表面向外延伸的拱形或环状。

第二部影片重放了一条精细结构等离子体流的迅速形成和崩塌过程。“这些是迄今为止对此类现象最详细的观测，展示了过去未曾观测到的特征，目前尚不完全清楚它们是什么，”该研究的合著者、NJIT-CSTR研究教授瓦西尔·尤尔奇申（Vasyl Yurchyshyn）说。“建造一台能让我们以前所未有的方式观测太阳的仪器，这真是太令人兴奋了，”施密特补充道。

第三部影片展示了纤细的冕雨（coronal rain）——一种冷却的等离子体凝结并落回太阳表面的现象。“太阳日冕中的‘雨滴’宽度可以窄于20公里，”NSO天文学家托马斯·沙德（Thomas Schad）从迄今为止最详细的冕雨图像中得出结论，“这些发现提供了新的宝贵观测见解，对于检验日冕过程的计算机模型至关重要。”

另一部影片则展示了一个太阳日珥在太阳磁力作用下剧烈运动的场景。

太阳自适应光学的突破

日冕被加热到数百万度的高温——远高于太阳表面——其加热机制科学家尚未知晓。日冕也是更冷太阳等离子体动态现象的发生地，这些等离子体在日食期间呈现红粉色。科学家认为，在小尺度上解析这些较冷等离子体的结构和动力学，是解开日冕加热之谜的关键，也将有助于增进我们对将等离子体抛射入太空、驱动空间天气的爆发（即爆发）的理解——空间天气是指地球近太空环境的状态，主要受太阳活动（例如太阳耀斑、日冕物质抛射和太阳风）影响，可能对地球及太空中的技术和系统造成冲击。实现所需精度要求大型望远镜和自适应光学系统，正如该团队所研发的系统。

GST上的Cona系统使用一面每秒变形2200次的可变形镜，以抵消湍流空气导致的图像劣化。“自适应光学就像智能手机相机中增强版的自动对焦和光学图像稳定功能，但它校正的是大气造成的误差，而不是用户手抖造成的误差，”BBSO光学工程师兼首席观测员尼古拉斯·戈尔塞（Nicolas Gorceix）解释道。

自21世纪初以来，自适应光学已应用于大型太阳望远镜，以充分发挥太阳表面图像的潜力，使望远镜能够达到其理论衍射极限——即光学系统的理论最高分辨率。这些系统彻底改变了太阳表面的观测方式，但直到现在，它们对日冕观测一直效果不佳；而超出太阳边缘（limb）的特征分辨率停滞在约1000公里或更差的水平——这是80年前就已达到的水平。

“新的日冕自适应光学系统填补了这个存在数十年的空白，提供了分辨率达63公里的日冕特征图像——这正是1.6米古德太阳望远镜的理论极限，”NSO首席技术专家托马斯·里梅尔（Thomas Rimmele）说道，他开发了首个实用的太阳表面自适应光学系统并促成此项进展。

对未来影响

日冕自适应光学技术现已在GST投入使用。“这项技术进步改变了游戏规则，当分辨率提高10倍时，有太多东西等待我们去发现，”施密特说。

该团队现在掌握了如何克服地球大气最低层（即对流层）对超出太阳边缘观测所施加的分辨率限制，并正致力于将此项技术应用于由NSO在夏威夷茂宜岛建造和运营的4米口径NSF丹尼尔·井上太阳望远镜（Daniel K. Inouye Solar Telescope）。这台全球最大的太阳望远镜将能观测到太阳大气中更微小的细节。

“这项变革性技术很可能被世界各地的天文台采用，有望重塑地基太阳天文学，”该研究的合著者、NJIT-CSTR物理学杰出研究教授、BBSO前任主任菲利普·R·古德（Philip R. Goode）表示。“随着日冕自适应光学技术的运行，这标志着太阳物理学一个新纪元的开始，预示着未来数十年将有更多发现涌现。”

作者包括：德克·施密特（NSO）、托马斯·A·沙德（NSO）、瓦西尔·尤尔奇申（NJIT）、尼古拉斯·戈尔塞（NJIT）、托马斯·R·里梅尔（NSO）和菲利普·R·古德（NJIT）。