【導(dǎo)讀】2016年,中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所太陽高分辨力成像研究團(tuán)隊成功研制了當(dāng)時世界上通道數(shù)最多的太陽大氣多波段層析成像系統(tǒng),媒體報道說給太陽做 “CT”。但是為什么可以給太陽做“CT”?具體怎么做“CT”?讓我們從源頭開始,一起回顧一下這項技術(shù)的演進(jìn)過程。
2016年,中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所太陽高分辨力成像研究團(tuán)隊成功研制了當(dāng)時世界上通道數(shù)最多的太陽大氣多波段層析成像系統(tǒng),媒體報道說給太陽做 “CT”。但是為什么可以給太陽做“CT”?具體怎么做“CT”?讓我們從源頭開始,一起回顧一下這項技術(shù)的演進(jìn)過程。
太陽光譜,從顏色到夫瑯禾費線
本質(zhì)上,太陽層析成像并不是我們常規(guī)理解的斷層掃描成像,而是利用不同波長的太陽光進(jìn)行多光譜同時成像的過程。因此在開始介紹之前,我們得先補(bǔ)充一點有關(guān)太陽光譜的知識。
在太陽物理研究初期,科學(xué)家是從太陽的顏色研究入手的。最著名的要數(shù)牛頓的三棱鏡實驗。當(dāng)一縷太陽光通過三角形棱鏡時,會按照波長不同被色散開來形成彩虹狀的各種顏色排列,就像下圖展示的那樣。也就是說,白色的太陽光是由彩虹般多重顏色的光組合而成的。這種色散后按照不同顏色(波長)的組合排列就是光譜。當(dāng)然后來隨著科學(xué)對光的進(jìn)一步理解(光是電磁波),光譜也用來描述所有電磁波的波長分布。
顏色和光譜(圖片來源于網(wǎng)絡(luò))
顏色通常是部分波長的電磁波(可見光波段)被人類視覺系統(tǒng)感知后的產(chǎn)物。根據(jù)波長的不同,伽馬射線到無線電都是電磁波,只是絕大部分都是我們?nèi)祟悷o法直接感知的,我們視覺系統(tǒng)可見的那很小一部分被稱為可見光。
在牛頓之后,英國化學(xué)家兼物理學(xué)家威廉·海德·沃拉斯頓(William Hyde Wollaston)在1802年研究各種透明物體的折射特性時,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過色散后的太陽光譜中存在一些暗線(沒有顏色),他當(dāng)時以為這是不同顏色的分界線,并沒有進(jìn)一步研究,錯過了開啟一個新學(xué)科的機(jī)會。十五年后,約瑟夫·馮·夫瑯禾費(Joseph von Fraunhofer)基于衍射光柵發(fā)明了光譜儀,并獨立地再次發(fā)現(xiàn)了太陽光譜中的暗線,他發(fā)現(xiàn)有574條這樣的暗線,這就排除了沃拉斯頓關(guān)于顏色分界線猜想。然而當(dāng)時夫瑯禾費的興趣也不在太陽光譜,并沒有關(guān)心這些現(xiàn)象背后的理論,他基于光柵光譜儀精確測量了每條暗線對應(yīng)的波長,只是使用它們來標(biāo)校玻璃的折射率(他是當(dāng)時世界上最好的玻璃制造商)。待后人搞清楚這些暗線的由來后,為了紀(jì)念這位“使我們更加接近星星”的人(夫瑯禾費的墓志銘“He brought us closer to the stars”),這些太陽光譜上的暗線被稱為“夫瑯禾費線”。
夫瑯禾費線(圖片來源于網(wǎng)絡(luò))
光譜分析,現(xiàn)代天文學(xué)的鑰匙
這些暗線的謎底一直到1859年才得以揭開。當(dāng)時人們已經(jīng)知道,不同的金屬或者金屬化合物(通常叫金屬鹽,比如食鹽是氯化鈉,又叫鈉鹽)可以改變火焰的焰色。并且已經(jīng)觀察到鈉鉀鋰銅等金屬鹽的火焰顏色,這種金屬或金屬鹽在無色火焰中灼燒時使火焰呈現(xiàn)特殊顏色的反應(yīng)就叫做焰色反應(yīng)。1958年前后,德國化學(xué)家羅伯特·威廉·本生(Robert Wilhelm Bunsen)進(jìn)行逆向思考,既然不同的物質(zhì)會產(chǎn)生不同顏色的火焰,那么是否可以用不同的火焰顏色來分析和區(qū)分元素呢?于是他發(fā)明了沒有火焰的“本生燈”,來測試各種金屬和金屬鹽的火焰。但是這種方式顏色分辨誤差大,并且無法測試一些金屬鹽的溶液。后來他的朋友,德國物理學(xué)家古斯塔夫·基爾霍夫(Gustav Kirchhoff)建議采用光譜儀來替代簡單的顏色來區(qū)分元素。
本生和基爾霍夫基使用光譜儀進(jìn)行化學(xué)分析的裝置(圖片來源于網(wǎng)絡(luò))
經(jīng)過大量的實驗數(shù)據(jù)證實,他們證實了每個元素都會產(chǎn)生一組獨特的譜線,即在特定波長的位置表現(xiàn)為特定的亮線或者暗線(取決于照明方式),并且繪制了幾種常見物質(zhì)的特征譜線。基于這種方法他們還發(fā)現(xiàn)了兩種新的元素銣和銫。
實驗中基爾霍夫發(fā)現(xiàn),當(dāng)太陽光和納元素火焰一起進(jìn)入光譜儀時,原本出現(xiàn)的明亮發(fā)射譜線變成了暗線。于是他又使用當(dāng)時被認(rèn)為是連續(xù)光譜的石灰光進(jìn)行照明,依舊發(fā)現(xiàn)光譜中來的亮線位置變成了暗線。后來經(jīng)過一些列驗證之后,他們終于得出結(jié)論,原來某些物質(zhì)本身加熱后的光譜表現(xiàn)為亮線(發(fā)射譜線),而這些物質(zhì)的氣體分子或原子被連續(xù)光譜照明時,則表現(xiàn)為暗線(吸收譜線)。他們進(jìn)而想到太陽光譜中的夫瑯和費線,認(rèn)為因為太陽輻射從內(nèi)往外傳輸?shù)倪^程中,被太陽表面大氣中的鈉元素吸收后導(dǎo)致的(后來研究表明還有一部分暗線是地球大氣中某些元素吸收所致)。結(jié)合他們手頭的工作,既然光譜可以分析化學(xué)的成分,他們立刻想到,那也可以通過對這些暗線進(jìn)行研究,來判定太陽的物質(zhì)組成!時隔一百多年,我似乎還能感受到他們得出這一結(jié)論時的狂喜與興奮。要知道這在當(dāng)時是不可想象的事情,這對于研究遙遠(yuǎn)的太陽和星體具有劃時代的意義,也從此開啟了天體光譜學(xué)領(lǐng)域的大門。根據(jù)光譜分析法,他們先后發(fā)現(xiàn)了太陽上還有氫鈉鐵鈣鎳等元素。后來經(jīng)過多年后研究,人們發(fā)現(xiàn),太陽的化學(xué)成分與地球類似,只是比例不同而已。
鈉元素特征譜線,上圖為吸收譜線,下圖為發(fā)射譜線。(圖片來源于網(wǎng)絡(luò))
說到這里,有個很有趣的插曲,我們知道化學(xué)元素氦元素又叫做太陽元素,它的英文名稱Helium來自于希臘神話中太陽神Helios。那是因為早在1895年地球上發(fā)現(xiàn)氦氣的27年前,法國天文學(xué)家皮埃爾·朱爾·塞薩爾·讓森(Pierre Jules César Janssen)和英國科學(xué)家約瑟夫·諾曼·洛克耶(Joseph Norman Lockyer)就已經(jīng)獨立地通過觀察太陽光譜發(fā)現(xiàn)了這種未知元素的存在并且進(jìn)行了命名。
簡單地梳理一下,牛頓基于顏色的研究開啟了光譜學(xué)的大門。隨后在19世紀(jì)初,沃拉斯頓和夫瑯禾費發(fā)現(xiàn)了這些連續(xù)的太陽光譜中存在一些吸收線。另一方面,化學(xué)研究中開始基于焰色反應(yīng)——不同元素的火焰的顏色——來確定元素,而物理學(xué)家基爾霍夫終于建立起元素發(fā)射線和太陽光譜吸收線之間的關(guān)系,并且最終推開了基于光譜來對天體進(jìn)行物質(zhì)分析的大門。
太陽大氣的分層結(jié)構(gòu)與“CT”成像
經(jīng)過兩百年的發(fā)展,人們終于搞清楚了太陽光譜以及夫瑯禾費線,并且發(fā)展出基于光譜分析的天體光譜學(xué),來對浩瀚的宇宙進(jìn)行精確的觀測。光譜學(xué)除了用在鑒定太陽和其他天體的物質(zhì)組成外,還可以測量天體的轉(zhuǎn)動速度(多普勒效應(yīng))、溫度、密度。以及進(jìn)一步反推能量來源及傳遞機(jī)制等等。如今這種技術(shù)已經(jīng)成為我們研究太陽的重要手段之一。
通過光譜分析我們可以知道太陽大氣的物質(zhì)組成,要是能夠直接看到太陽表面的圖像豈不是更好?這對于研究太陽能量傳遞和物質(zhì)演化過程具有不可替代的作用。這就是太陽物理研究的另一個重要的工具——高分辨力成像。而決定分辨率的最主要因素就是望遠(yuǎn)鏡的口徑,這也是天文望遠(yuǎn)鏡口徑越來越大的原因。
但是光有大口徑的望遠(yuǎn)鏡似乎還不夠。我們知道,太陽大氣分為光球?qū)?、色球?qū)雍腿彰釋?,其中光球和色球?qū)拥暮穸染瓦_(dá)到2500公里。我們通常觀測到的太陽表面結(jié)構(gòu),主要來自光球?qū)樱热缣柮琢?、太陽黑子等等?/div>
太陽大氣層狀結(jié)構(gòu)
前面我們介紹過,連續(xù)譜的太陽光在由內(nèi)向外輻射的過程中,穿過太陽大氣時會被某些元素吸收形成夫瑯禾費吸收譜線。于是科學(xué)家就想,如果可以研制出透射波長的帶寬非常窄的濾光器,只針對這條譜線進(jìn)行成像,是不是就可以拍攝出對應(yīng)元素所在位置的太陽表面圖像了呢?答案是肯定的。但是理解起來似乎有點困難,你不是說太陽大氣中的元素把對應(yīng)波長的光譜都吸收了嗎?怎么還會有圖像呢?為什么這個譜線的圖像就是元素所在位置的圖像呢?為了解釋這個問題,我們來看下圖,圖中我們以氫元素層的吸收為例來說明問題。雖然太陽輻射是呈360°的發(fā)散狀輻射,但是考慮到地球和太陽的距離,地球上只能接收到很小角度過來的太陽光,我們這里假定是只有一個方向的輻射可以到達(dá)地球(平行光)。
基于太陽大氣吸收線分層觀測的原理
原本從太陽光球發(fā)射出來很多光子,若是沒有太陽大氣中的吸收層,那么朝向地球的光就會被望遠(yuǎn)鏡收集得到光球?qū)拥南瘢坏翘柎髿馍驅(qū)又杏幸粚託湓?。從光球?qū)影l(fā)出的光到達(dá)氫元素層時,其中656.281nm波長的太陽光就會被氫原子吸收掉,只是吸收了太陽光的氫元素并不穩(wěn)定,會在很短的時間能再將吸收的光子釋放掉。然而再發(fā)射出來的光子方向是隨機(jī)的,這就導(dǎo)致經(jīng)過“吸收—發(fā)射”這一過程后,很多原本朝向地球的光子被改變了傳播方向,從而沒法進(jìn)入地球上的望遠(yuǎn)鏡。這就是為什么在太陽光譜中,在氫元素譜線對應(yīng)的波長位置(656.281nm)呈現(xiàn)暗線(注意只是能量相對其他波段有所減弱,并不是完全沒有)。由于這些光子都是從氫原子層發(fā)射出來的,如果對這個波段成像,自然可以得到氫元素層的圖像。為此我們通過觀測Ha(氫元素吸收線,中心波長656.281nm)波段圖像,就可以得到太陽大氣色球?qū)拥膱D像。
更進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),一些元素主要分布在太陽大氣的不同高度,并且不同吸收線還能研究特定的太陽物理問題。比如前面說的氫元素吸收線Ha 線,就位于色球?qū)又胁?;鈣元素的一條吸收線 Ca II IR線(854.21nm)主要集中在色球?qū)拥撞浚欢ぴ匚站€He I 線(1083.0nm)則主要位于色球?qū)禹敳?;至于鐵元素吸收線Fe I 線(1565.29nm)則主要集中在光球?qū)印?/div>
說到這里,那么給太陽大氣照CT的想法也就不言自明了。若是同時對上述吸收譜線進(jìn)行高分辨成像,那就相當(dāng)于對太陽大氣進(jìn)行切片掃描,同時得到太陽大氣不同層高的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及形態(tài)圖像。
這個想法是有了,但是實現(xiàn)起來還是很有難度,比如說為了精準(zhǔn)定位到某一種元素所在高度,就必須只針對他的特征譜線進(jìn)行成像觀測,也就是說,需要對成像的波長進(jìn)行極窄帶的濾波,來撇開其他層的太陽光對圖像的影響。要想得到特定層的圖像,用于成像的波長寬度通常只有幾十個皮米,也就是頭發(fā)絲的百萬分之一的寬度。這就帶來了兩個問題,極窄帶濾光器的研制以及極窄帶成像帶來的能量不足的問題。如果還要多波段同時成像,這些都是工程實踐中不得不面對的挑戰(zhàn)。好在天道酬勤,經(jīng)過多年技術(shù)積累和科研攻關(guān),光電所太陽團(tuán)隊突破多項關(guān)鍵技術(shù),成功研制7波段太陽層析成像系統(tǒng)。這是目前世界上波段數(shù)最多的多波段層析成像系統(tǒng),其探測波長對應(yīng)的太陽高度涵蓋光球?qū)?、色球?qū)拥撞?、色球?qū)又胁亢蜕驅(qū)禹敳浚瑸楸O(jiān)測太陽活動提供技術(shù)支撐。
就在剛剛過去的2019年底,光電所在太陽高分辨力觀測領(lǐng)域再創(chuàng)佳績,成功研制了中國首套2米級太陽望遠(yuǎn)鏡。配上通道數(shù)最多的太陽“CT”設(shè)備,不得不說,我國的太陽物理研究,未來可期。
中國新一代2米級太陽望遠(yuǎn)鏡——1.8米中國大太陽望遠(yuǎn)鏡
(來源:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
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