如何给太阳做“CT”?

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太阳光谱,从颜色到夫琅禾费线

内心上,太阳层析成像并不是吾们通例理解的断层扫描成像,而是行使迥异波长的太阳光进走众光谱同时成像的过程。所以在最先介绍之前,吾们得先增添一点相关太阳光谱的知识。

在太阳物理钻研初期,科学家是从太阳的颜色钻研着手的。最著名的要数牛顿的三棱镜实验。当一缕太阳光始末三角形棱镜时,会遵命波长迥异被色散开来形成彩虹状的各栽颜色排列,就像下图展现的那样。也就是说,白色的太阳光是由彩虹般众重颜色的光组相符而成的。这栽色散后遵命迥异颜色(波长)的组相符排列就是光谱。自然后来随着科学对光的进一步理解(光是电磁波),光谱也用来描述一切电磁波的波长分布。

颜色和光谱(图片来源于网络)颜色和光谱(图片来源于网络)

颜色清淡是片面波长的电磁波(可见光波段)被人类视觉体系感知后的产物。根据波长的迥异,伽马射线到无线电都是电磁波,只是绝大片面都是吾们人类无法直接感知的,吾们视觉体系可见的那很幼一片面被称为可见光。

在牛顿之后,英国化学家兼物理学家威廉·海德·沃拉斯顿(William Hyde Wollaston)在1802年钻研各栽透明物体的折射特性时,发现经过色散后的太阳光谱中存在一些黑线(异国颜色),他那时以为这是迥异颜色的分界线,并异国进一步钻研,错过了开启一个新学科的机会。十五年后,约瑟夫·冯·夫琅禾费(Joseph von Fraunhofer)基于衍射光栅发明了光谱仪,并自力地再次发现了太阳光谱中的黑线,他发现有574条云云的黑线,这就倾轧了沃拉斯顿关于颜色分界线推想。然而那时夫琅禾费的趣味也不在太阳光谱,并异国关心这些形象背后的理论,他基于光栅光谱仪准确测量了每条黑线对答的波长,只是行使它们来标校玻璃的折射率(他是那时世界上最益的玻璃制造商)。待后人搞明了这些黑线的由来后,为了祝贺这位“使吾们更添挨近星星”的人(夫琅禾费的墓志铭“He brought us closer to the stars”),这些太阳光谱上的黑线被称为“夫琅禾费线”。

夫琅禾费线(图片来源于网络)夫琅禾费线(图片来源于网络)

光谱分析,当代天文学的钥匙

这些黑线的谜底不息到1859年才得以揭开。那时人们已经晓畅,迥异的金属或者金属化相符物(清淡叫金属盐,比如食盐是氯化钠,又叫钠盐)能够转折火焰的焰色。并且已经不都雅察到钠钾锂铜等金属盐的火焰颜色,这栽金属或金属盐在无色火焰中灼烧时使火焰表现稀奇颜色的响答就叫做焰色响答。1958年前后,德国化学家罗伯特·威廉·本生(Robert Wilhelm Bunsen)进走反向思考,既然迥异的物质会产生迥异颜色的火焰,那么是否能够用迥异的火焰颜色来分析和区分元素呢?所以他发明了异国火焰的“本生灯”,来测试各栽金属和金属盐的火焰。但是这栽方式颜色分辨偏差大,并且无法测试一些金属盐的溶液。后来他的良朋,德国物理学家古斯塔夫·基尔霍夫(Gustav Kirchhoff)提出采用光谱仪来替代浅易的颜色来区分元素。

 本生和基尔霍夫基行使光谱仪进走化学分析的装配(图片来源于网络) 本生和基尔霍夫基行使光谱仪进走化学分析的装配(图片来源于网络)

经过大量的实验数据证实,他们证实了每个元素都会产生一组稀奇的谱线,即在特定波长的位置外现为特定的亮线或者黑线(取决于照明方式),并且绘制了几栽常见物质的特征谱线。基于这栽形式他们还发现了两栽新的元素铷和铯。

实验中基尔霍夫发现,当太阳光和纳元素火焰一首进入光谱仪时,原本展现的清明发射谱线变成了黑线。所以他又行使那时被认为是不息光谱的石灰光进走照明,依然发现光谱中来的亮线位置变成了黑线。后来经过一些列验证之后,他们终于得出结论,原本某些物质自己添炎后的光谱外现为亮线(发射谱线),而这些物质的气体分子或原子被不息光谱照明时,则外现为黑线(汲取谱线)。他们进而想到太阳光谱中的夫琅和费线,认为由于太阳辐射从内去张扬输的过程中,被太阳形式大气中的钠元素汲取后导致的(后来钻研外明还有一片面黑线是地球大气中某些元素汲取所致)。结相符他们手头的做事,既然光谱能够分析化学的成分,他们立刻想到,那也能够始末对这些黑线进走钻研,来鉴定太阳的物质构成!时隔一百众年,吾犹如还能感受到他们得出这一结论时的狂喜与昂扬。要晓畅这在那时是不能想象的事情,这对于钻研迢遥的太阳和星体具有划时代的意义,也从此开启了天体光谱学周围的大门。根据光谱分析法,他们先后发现了太阳上还有氢钠铁钙镍等元素。后来经过众年后钻研,人们发现,太阳的化学成分与地球相通,只是比例迥异而已。

钠元素特征谱线,上图为汲取谱线,下图为发射谱线。(图片来源于网络)钠元素特征谱线,上图为汲取谱线,下图为发射谱线。(图片来源于网络)

说到这边,有个很乐趣的插弯,吾们晓畅化学元素氦元素又叫做太阳元素,它的英文名称Helium来自于希腊神话中太阳神Helios。那是由于早在1895年地球上发现氦气的27年前,成功案例法国天文学家皮埃尔·朱尔·塞萨尔·让森(Pierre Jules César Janssen)和英国科学家约瑟夫·诺曼·洛克耶(Joseph Norman Lockyer)就已经自力地始末不都雅察太阳光谱发现了这栽未知元素的存在并且进走了命名。

浅易地梳理一下,牛顿基于颜色的钻研开启了光谱学的大门。随后在19世纪初,沃拉斯顿和夫琅禾费发现了这些不息的太阳光谱中存在一些汲取线。另一方面,化学钻研中最先基于焰色响答——迥异元素的火焰的颜色——来确定元素,而物理学家基尔霍夫终于竖立首元素发射线和太阳光谱汲取线之间的相关,并且最后推开了基于光谱来对天体进走物质分析的大门。

太阳大气的分层组织与“CT”成像

经过两百年的发展,人们终于搞明了了太阳光谱以及夫琅禾费线,并且发展出基于光谱分析的天体光谱学,来对众多的宇宙进走准确的不都雅测。光谱学除了用在鉴定太阳和其他天体的物质构成外,还能够测量天体的转动速度(众普勒效答)、温度、密度。以及进一步反推能量来源及传递机制等等。现在这栽技术已经成为吾们钻研太阳的主要手腕之一。

始末光谱分析吾们能够晓畅太阳大气的物质构成,要是能够直接看到太阳形式的图像岂不是更益?这对于钻研太阳能量传递和物质演化过程具有不能替代的作用。这就是太阳物理钻研的另一个主要的工具——高分辨力成像。而决定分辨率的最主要因素就是看远镜的口径,这也是天文看远镜口径越来越大的因为。

但是光有大口径的看远镜犹如还不足。吾们晓畅,太阳大气分为光球层、色球层和日冕层,其中光球和色球层的厚度就达到2500公里。吾们清淡不都雅测到的太阳形式组织,主要来自光球层,比如太阳米粒、太阳黑子等等。

太阳大气层状组织太阳大气层状组织

前线吾们介绍过,不息谱的太阳光在由内向外辐射的过程中,穿过太阳大气时会被某些元素汲取形成夫琅禾费汲取谱线。所以科学家就想,倘若能够研制出透射波长的带宽专门窄的滤光器,只针对这条谱线进走成像,是不是就能够拍摄出对答元素所在位置的太阳形式图像了呢?答案是一定的。但是理解首来犹如有点难得,你不是说太阳大气中的元素把对答波长的光谱都汲取了吗?怎么还会有图像呢?为什么这个谱线的图像就是元素所在位置的图像呢?为晓畅释这个题目,吾们来看下图,图中吾们以氢元素层的汲取为例来表明题目。固然太阳辐射是呈360°的发散状辐射,但是考虑到地球和太阳的距离,地球上只能授与到很幼角度过来的太阳光,吾们这边伪定是只有一个倾向的辐射能够到达地球(平走光)。

太阳大气层状组织基于太阳大气汲取线分层不都雅测的原理

原本从太阳光球发射出来许众光子,若是异国太阳大气中的汲取层,那么朝向地球的光就会被看远镜搜集得到光球层的像;但是太阳大气色球层中有一层氢元素。从光球层发出的光到达氢元素层时,其中656.281nm波长的太阳光就会被氢原子汲取失踪,只是汲取了太阳光的氢元素并担心详,会在很短的时间能再将汲取的光子开释失踪。然而再发射出来的光子倾向是随机的,这就导致经过“汲取—发射”这一过程后,许众原本朝向地球的光子被转折了传播倾向,从而没法进入地球上的看远镜。这就是为什么在太阳光谱中,在氢元素谱线对答的波长位置(656.281nm)表现黑线(仔细只是能量相对其他波段有所削弱,并不是十足异国)。由于这些光子都是从氢原子层发射出来的,倘若对这个波段成像,自然能够得到氢元素层的图像。为此吾们始末不都雅测Ha(氢元素汲取线,中央波长656.281nm)波段图像,就能够得到太阳大气色球层的图像。

更进一步钻研发现,一些元素主要分布在太阳大气的迥异高度,并且迥异汲取线还能钻研特定的太阳物理题目。比如前线说的氢元素汲取线Ha 线,就位于色球层中部;钙元素的一条汲取线 Ca II IR线(854.21nm)主要荟萃在色球层底部;而氦元素汲取线He I 线(1083.0nm)则主要位于色球层顶部;至于铁元素汲取线Fe I 线(1565.29nm)则主要荟萃在光球层。

说到这边,那么给太阳大气照CT的思想也就不言自明了。若是同时对上述汲取谱线进走高分辨成像,那就相等于对太阳大气进走切片扫描,同时得到太阳大气迥异层高的物质组织及形式图像。

这个思想是有了,但是实现首来还是很有难度,比如说为了精准定位到某一栽元素所在高度,就必须只针对他的特征谱线进走成像不都雅测,也就是说,必要对成像的波长进走极窄带的滤波,来撇开其他层的太阳光对图像的影响。要想得到特定层的图像,用于成像的波长宽度清淡只有几十个皮米,也就是头发丝的百万分之一的宽度。这就带来了两个题目,极窄带滤光器的研制以及极窄带成像带来的能量不能的题目。倘若还要众波段同时成像,这些都是工程实践中不得不面对的挑衅。益在天道酬勤,经过众年技术积累和科研攻关,光电所太阳团队突破众项关键技术,成功研制7波段太阳层析成像体系。这是现活着界上波段数最众的众波段层析成像体系,其探测波长对答的太阳高度涵盖光球层、色球层底部、色球层中部和色球层顶部,为监测太阳运动挑供技术撑持。

就在刚刚以前的2019岁暮,光电所在太阳高分辨力不都雅测周围再创佳绩,成功研制了中国首套2米级太阳看远镜。配上通道数最众的太阳“CT”设备,不得不说,吾国的太阳物理钻研,异日可期。

中国新一代2米级太阳看远镜——1.8米中国大太阳看远镜中国新一代2米级太阳看远镜——1.8米中国大太阳看远镜

posted on 2020-06-29  admin  阅读量:

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