新型自適應光學系統揭示了令人驚嘆的超清晰日冕視圖，為人們提供了前所未有的太陽活動觀察視角，并暗示了長期存在的太空天氣問題的答案。美國國家科學基金會國家太陽天文臺和新澤西理工學院的科學家取得了一項重大突破，捕捉到了迄今為止最清晰的太陽外層大氣（即日冕）圖像。

革命性的望遠鏡升級揭示了隱藏的日冕結構，帶來前所未有的清晰太陽圖像。圖片來源：Schmidt 等人/NJIT/NSO/AURA/NSF

團隊利用一項名為日冕自適應光學的強大新技術，消除了地球大氣的模糊影響，展現出令人驚嘆的高分辨率太陽活動圖像和影片。他們的研究成果發表在《自然天文學》雜志上，為理解太陽的極端高溫、太陽噴發以及驅動太空天氣的力量開辟了激動人心的新可能性。

日冕，即太陽最外層的大氣層，幾十年來一直吸引著科學家們的關注。日冕通常只有在日全食期間才能看到，它以其極高的高溫、爆發性的噴發和巨大的太陽物質環而聞名。但在此之前，幾乎不可能捕捉到該區域的清晰圖像。地球大氣層會使光線變得模糊，使得研究日冕的精細細節變得困難。

這種情況正在開始改變。來自美國國家科學基金會國家太陽天文臺和新澤西理工學院的科學家們開發了一項名為日冕自適應光學的突破性技術。該系統消除了大氣模糊的影響，并已拍攝到迄今為止最清晰的太陽外層大氣圖像和最精細的視頻。他們的研究成果發表在《自然天文學》雜志上，可能會徹底改變我們對太陽噴發、太空天氣以及日冕神秘熱量的理解。

這套名為“Cona”的新系統安裝在加州1.6米口徑的古德太陽望遠鏡上。該系統由美國國家科學基金會（NSF）支持建造，并由新澤西理工學院（NJIT）日地研究中心運營，其先進技術可以補償地球大氣湍流造成的扭曲，類似于飛機湍流時的晃動。

“空氣湍流會嚴重影響我們通過望遠鏡看到的太空物體（例如太陽）的圖像質量。但我們可以解決這個問題。”領導此項研發的 NSO 自適應光學科學家 Dirk Schmidt 說道。

該團隊的眾多精彩觀測成果中，有一部展現日珥快速重構過程的影片，揭示了內部細密湍流。日珥是巨大明亮的結構，通常呈拱形或環狀，從太陽表面向外延伸。

這段延時視頻拍攝了太陽表面上方的日珥，以前所未有的細節展現了其快速、細微且湍急的結構重構。太陽蓬松的表面覆蓋著“針狀體”，即短暫的等離子體噴流，其形成機制仍是科學界爭論的焦點。圖片右側的條紋是落在太陽表面的日冕雨。這段視頻由大熊湖太陽天文臺的古德太陽望遠鏡使用新型日冕自適應光學系統Cona拍攝。視頻展示了太陽等離子體發出的氫-α光。視頻經過人工著色，但基于氫-α光的顏色，顏色越深，光線越亮。圖片來源：Schmidt et al./NJIT/NSO/AURA/NSF

第二部影片重現了精細結構等離子體流的快速形成和坍縮。“這是迄今為止此類觀測中最詳細的，展現了此前從未觀測到的特征，而且目前尚不清楚它們是什么，”該研究的合著者、新澤西理工學院-加州科學技術研究中心（NJIT-CSTR）研究教授瓦西里·尤爾奇辛（Vasyl Yurchyshyn）說道。“建造一臺能以前所未有的方式向我們展示太陽的儀器，真是令人興奮不已，”施密特補充道。

這段延時影片展示了形狀復雜的等離子體流在日冕環系統前方以近每秒100公里的速度形成和坍縮的過程。這很可能是科學家們首次觀測到這種被科學家們稱為“等離子體粒”的等離子體流，這讓他們對觀測到的動態現象的物理解釋產生了疑問。這段視頻由大熊湖太陽天文臺的古德太陽望遠鏡使用新型日冕自適應光學系統Cona拍攝。視頻展示了太陽等離子體發出的氫-α光。視頻經過人工著色，但基于氫-α光的顏色，顏色越深，光就越亮。圖片來源：Schmidt等人/NJIT/NSO/AURA/NSF

第三部影片展示了細小的日冕雨——一種冷卻等離子體凝結并落回太陽表面的現象。“日冕中的雨滴直徑可能小于20公里，”國家天文臺天文學家托馬斯·沙德根據迄今為止最詳細的日冕雨圖像得出結論，“這些發現提供了新的、寶貴的觀測見解，對于測試日冕過程的計算機模型至關重要。”

日冕雨是在太陽日冕中較熱的等離子體冷卻并變得更稠密時形成的。與地球上的雨滴一樣，日冕雨在重力作用下被拉向地表。由于等離子體帶電，它會沿著磁場線（形成巨大的拱形/環狀結構）下落，而不是直線下落。這段延時視頻由迄今為止分辨率最高的日冕雨圖像組成。科學家在論文中表明，這些線狀結構可以窄于20公里。這段視頻由大熊湖太陽天文臺的古德太陽望遠鏡使用新型日冕自適應光學系統Cona拍攝。視頻展示了太陽等離子體發出的氫-α光。視頻經過人工著色，但基于氫-α光的顏色，顏色越深，光線越亮。圖片來源：Schmidt等人/NJIT/NSO/AURA/NSF

另一部影片展示了受太陽磁力影響的日珥劇烈運動。

這段日珥的延時影片展示了等離子體如何隨著太陽磁場“舞動”和旋轉。該視頻由大熊湖太陽天文臺的古德太陽望遠鏡使用新型日冕自適應光學系統Cona拍攝。視頻展示了太陽等離子體發出的氫-α射線。視頻經過人工著色，但基于氫-α射線的顏色，顏色越深，光線越亮。圖片來源：Schmidt等人/NJIT/NSO/AURA/NSF

日冕被加熱到數百萬度，遠高于太陽表面溫度，其加熱機制尚不為科學家所知。日冕也是溫度更低的太陽等離子體動態現象的發生地，這些等離子體在日食期間呈現淡紅色和粉色。科學家認為，解析這些溫度更低的等離子體在小尺度上的結構和動力學，是解開日冕加熱之謎的關鍵，也有助于我們更好地理解將等離子體噴射到太空并驅動太空天氣的噴發現象。太空天氣是指地球近太空環境主要受太陽活動（例如太陽耀斑、日冕物質拋射和太陽風）影響的條件，這些條件可能會影響地球和太空中的技術和系統。所需的精度需要像該團隊開發的大型望遠鏡和自適應光學系統。

GST 系統 Cona 使用每秒 2200 次不斷自我重塑的鏡面來抵消湍流空氣造成的圖像質量下降。BBSO 光學工程師兼首席觀察員 Nicolas Gorceix 表示：“自適應光學系統就像智能手機相機中增強的自動對焦和光學防抖功能，但它校正的是大氣誤差，而不是用戶手抖。”

自21世紀初以來，自適應光學技術已被用于大型太陽望遠鏡，以最大程度地恢復太陽表面圖像，使望遠鏡能夠達到其理論衍射極限，即光學系統的理論最大分辨率。這些系統從此徹底改變了對太陽表面的觀測，但迄今為止，它們對日冕的觀測尚無用武之地；而對太陽邊緣以外特征的分辨率則停滯在1000公里或更差的水平，與80年前達到的水平相當。

“新的日冕自適應光學系統彌補了幾十年來的這一差距，并提供了分辨率為 63 公里的日冕特征圖像，這是 1.6 米古德太陽望遠鏡的理論極限，”NSO 首席技術專家 Thomas Rimmele 說道，他為太陽表面建造了第一個可操作的自適應光學系統，并推動了這一發展。

日冕自適應光學系統現已在GST投入使用。“這項技術進步將帶來翻天覆地的變化；分辨率提高10倍后，將會有很多發現。”施密特說道。

該團隊目前已掌握如何克服地球大氣層最低區域（即對流層）對太陽邊緣以外觀測分辨率的限制，并正致力于將這項技術應用于美國國家科學基金會（NSF）的4米口徑丹尼爾·K·井上太陽望遠鏡。該望遠鏡由美國國家天文臺（NSO）在夏威夷毛伊島建造和運營。這架世界上最大的太陽望遠鏡將能夠觀測到太陽大氣層中更細微的細節。

“這項變革性技術很可能被世界各地的天文臺采用，并將重塑地面太陽天文學，”新澤西理工學院-科學院杰出物理學研究教授、BBSO前主任、該研究的共同作者菲利普·R·古德（Philip R. Goode）說道。“隨著日冕自適應光學系統的投入運行，這標志著太陽物理學新時代的開始，有望在未來數年乃至數十年內帶來更多發現。”

編譯自/ScitechDaily