“太阳日冕中的雨滴”：新的自适应光学元件显示了我们恒星大气层的惊人细节
太阳的日冕——其大气层的最外层，只有在日全食期间才能看到——由于其极端的温度、剧烈的喷发和巨大的突起，长期以来一直吸引着科学家。 然而，地球大气层的湍流导致图像模糊并阻碍了对日冕的观测。 美国科学家最近的突破性进展 美国国家科学基金会 （NSF）、美国国家太阳天文台 （NSO） 和新泽西理工学院 （NJIT） 是通过使用自适应光学来消除模糊，从而改变这一点。 正如发表在《自然天文学》上的，这种开创性的“日冕自适应光学”技术产生了迄今为止最令人惊讶、最清晰的日冕精细结构图像和视频。 这一发展将为更深入地了解日冕的神秘行为和驱动太空天气的过程打开大门。 迄今为止最详细的冠状图像揭示 由 NSF 资助并安装在 1.6 米的 Goode太阳望远镜 （GST） 由位于加利福尼亚州大熊太阳天文台 （BBSO） 的新泽西州太阳地球研究中心 （CSTR） 运营，“Cona”——负责这些新图像的自适应光学系统——补偿了地球大气中空气湍流引起的模糊——类似于空中乘客在 飞行。 “空气中的湍流严重降低了太空中物体的图像，比如通过我们的望远镜看到的太阳。 但我们可以纠正这一点。领导开发的 NSO 自适应光学科学家 Dirk Schmidt 说。 该团队的非凡观察之一是一部快速重组的太阳能突出部分的电影，揭示了精细、湍流的内部流动。 太阳突起是大而亮的特征，通常表现为拱形或环状，从太阳表面向外延伸。 第二部电影重播了结构精细的等离子体流的快速形成和坍缩。 “这些是迄今为止对此最详细的观察种类，显示出以前没有观察到的特征，而且不太清楚它们是什么，“该研究的合著者、NJIT-CSTR 研究教授 Vasyl Yurchyshyn 说。 “制造一种以前所未有的方式向我们展示太阳的仪器非常令人兴奋，”Schmidt 补充道。 第三部电影展示了日冕雨的细丝——一种冷却等离子体凝结并落回太阳表面的现象。 “太阳日冕中的雨滴可以窄于 20 公里，”NSO 天文学家Thomas Schad 从迄今为止最详细的日冕雨图像中总结道：“这些发现提供了新的宝贵观测见解，对于测试日冕过程的计算机模型至关重要。 另一部电影展示了太阳磁力塑造的太阳突起的戏剧性运动。 太阳自适应光学的突破 日冕被加热到数百万度——比太阳表面的温度高得多——这是科学家们不知道的机制。 它也是充满活力的家园在日食期间呈红粉色的较冷的太阳等离子体现象。 科学家们认为，在小尺度上解析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，也是提高我们对将等离子体喷射到太空的喷发的理解的关键，这些喷发驱动了太空天气，即地球近太空环境中的条件主要受太阳活动的影响 （例如，太阳耀斑、日冕物质抛射和太阳风）可能会影响地球和太空中的技术和系统。 所需的精度需要大型望远镜和自适应光学系统，就像这个团队开发的系统一样。 GST 系统 Cona 使用每秒连续重塑自身 2,200 次的镜子来抵消湍流空气引起的图像退化。 “自适应光学就像智能手机相机中增强的自动对焦和光学图像稳定功能，但要校正大气中的误差，而不是用户的手颤抖，“BBSO 光学工程师兼首席观察员 Nicolas Gorceix 说。 自 2000 年代初以来，自适应光学已被用于大型太阳望远镜中，以恢复太阳表面的图像的全部潜力，使望远镜能够达到其理论衍射极限——即光学系统的理论最大分辨率。 此后，这些系统彻底改变了太阳表面的观测，但直到现在，它们还不能用于日冕; 太阳系边缘以外的特征的分辨率停滞在 1,000 公里或更差的数量级——这是 80 年前达到的水平。 “新的日冕自适应光学系统填补了这一几十年来的空白，并以 63 公里的分辨率提供日冕特征的图像——这是 1.6 米古德太阳望远镜的理论极限，”NSO 首席技术专家 Thomas Rimmele 说，他为太阳表面建造了第一个作自适应光学系统，并激励了 发展。 对未来的影响 日冕自适应光学元件现已在 GST 上提供。 “这项技术进步改变了游戏规则，当您将分辨率提高 10 倍时，会有很多发现，”Schmidt 说。 该团队现在知道如何克服地球大气层最低区域（即对流层）在太阳边缘以外的观测中施加的分辨率限制，并正在努力将该技术应用于 4 米长的 NSF Daniel K。 井上太阳能望远镜，由 NSO 在夏威夷毛伊岛建造和运营。 世界上最大的太阳望远镜将看到太阳大气层中更小的细节。 “这项变革性技术很可能被世界各地的天文台采用，有望重塑地面太阳天文学，”Philip R 说。 Goode 是 NJIT-CSTR 杰出的物理学研究教授，也是 BBSO 的前主任，他是这项研究的合著者。 “随着日冕自适应光学器件的投入运行，这标志着太阳物理学新时代的开始，有望在未来几年和几十年内有更多的发现。 作者是：Dirk Schmidt （NSO）、Thomas A. 沙德 （NSO）， 瓦西里·尤尔奇辛 （NJIT）， 尼古拉斯·戈尔塞克斯 （NJIT）， 托马斯 R. Rimmele （NSO） 和 Philip R. 古德 （NJIT）。