開欄的話:
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太陽是離地球最近、與人類關係最密切的恆星,我們對它熟悉又陌生。
海拔4700米的四川稻城無名山上,一台觀天新「利器」將帶來新探索。
24日,由教育部推薦、國家自然科學基金委員會批准立項的國家重大科研儀器研製項目「2.5米大視場高解析度太陽望遠鏡」(wehost)正式落戶稻城,預計2026年底完成配套設施建設,開展望遠鏡總裝調試。從「中國天眼」fast到新一代太陽望遠鏡wehost,中國探索宇宙不停步。
高海拔大口徑:能夠覆蓋整個太陽活動區
據了解,wehost由南京大學聯合中國科學院南京天文光學技術研究所、中國科學院雲南天文台等單位共同研製,是全球最大的軸對稱太陽望遠鏡。
目前,望遠鏡本體即將建造完畢,觀測台址選在海拔4700米的四川稻城無名山上,當地擁有優良的大氣寧靜度和太陽觀測條件。
項目總負責人、南京大學天文與空間科學學院教授丁明德介紹,wehost主鏡口徑達2.5米,兼具高解析度和大視場的優勢,看得清的同時更能看得廣,解析度較國內外現有的大口徑太陽望遠鏡有所提升的同時,觀測視場也擴大了三到四倍,能夠覆蓋整個太陽活動區。
丁明德打了個比方,顯微鏡雖然能夠看到細菌,但鏡中視野並不大。「觀察太陽也是如此,目前已有的太陽望遠鏡,雖然能夠清晰觀察到太陽表面小尺度的精細結構,但對研究太陽活動區和太陽爆發活動而言還遠遠不夠。我們必須從更宏觀的視角觀察,才能更全面掌握每一次爆發活動的細節。」
這是稻城太陽觀測台站預期模擬圖。(南京大學供圖)
攜手「羲和號」:「天地協同」提升空間天氣監測預報能力
我國已經發射首顆太陽探測科學技術試驗衛星,為何還要建設地面觀測台站?
中國科學院院士、南京大學天文與空間科學學院教授方成表示,wehost可以觀察太陽大氣不同高度發生的變化,建成後有望在世界上首次完整觀測太陽活動區產生和發展的全過程,將與「羲和號」等太陽觀測體系實現天地協同,進一步增強空間天氣監測預報能力。
作為太陽表面主要的爆發現象,太陽耀斑、日冕物質拋射和暗條爆發等,每次釋放的能量相當於上百億枚原子彈爆炸,對日地空間環境以及通訊、導航等科技活動產生影響,輕則干擾短波通訊,嚴重情況下還會減少衛星壽命,甚至破壞電網和石油管道。當前,天文學界對於這些爆發現象為何出現、爆發前有何徵兆仍不了解。
「通過發揮wehost大視場、高解析度的觀測能力,結合數據驅動模擬,科學家能夠詳細研究太陽爆發現象,剖析其背後的物理規律,為災害性空間天氣預報提供堅實的理論和觀測基礎。」方成說。
這是稻城太陽觀測台站工程結構模擬圖。(南京大學供圖)
「防暑降溫」專利:確保設施長期穩定運行
「研製大型光學太陽望遠鏡,最大的技術難題就是控制太陽照射帶來的熱量。」南京大學天文與空間科學學院高級工程師李臻介紹,被太陽照射時,2.5米主鏡接收到的熱量可達5000瓦,幾秒鐘就可以將1升水從常溫加熱至沸騰。
擁有這麼大的口徑,wehost為何能長時間「盯」著太陽看呢?
專家說,望遠鏡鏡面本身可以反射90%以上的熱量,相當於主鏡真正吸收的熱量在500瓦左右,被反射的4500瓦熱量集中到主鏡的焦點處,後者是一個直徑僅3.5厘米的圓面,還沒有一枚乒乓球大。
然而,根據熱脹冷縮原理,受熱部位會發生變形,望遠鏡內部也可能產生類似現象,被加熱的空氣形成湍流,這些因素都會干擾觀測精度。按照設計要求,鏡筒與環境的溫差須控制在5攝氏度以內,主鏡、主焦點與環境的溫差須控制在2攝氏度以內。
為了解決散熱問題,研製單位採用已有的預研成果,在主鏡背部均勻布置200多根氣管,組成陣列,以噴射冷風的方式帶走鏡面吸收的太陽能。主焦點則採用中國科學院南京天文光學技術研究所的專利技術,吸收多餘能量後,通過控制製冷液的溫度和流速實現降溫,確保設施長期穩定運行。
這是建造中的「2.5米大視場高解析度太陽望遠鏡」本體。(南京大學供圖)
日夜光路切換:太陽望遠鏡也「上夜班」
太陽望遠鏡,顧名思義,觀察太陽是主業,那它在夜晚就休息了嗎?
其實不然。李臻告訴記者,wehost可以通過平面反光鏡轉折光路,不到10分鐘就能完成日夜光路切換。這點也決定了它與常見的大口徑天文望遠鏡不同,這種快速響應能力有望為我國「時域天文學」帶來新發現。
「時域天文學」是國際天文學的新興領域,它的研究對象包括超新星、引力波、超大質量黑洞吞噬恆星等快速變化的天體現象。
「國際上新一代望遠鏡都在加快布局時域天文研究,開發新技術平台,拓展人類認知邊界。」丁明德表示,wehost建成後,將充分發揮我國地理位置的優勢,完善全球時域天文聯網觀測,揭秘更多未知帶來新驚喜。
策劃:陳芳
統籌:吳晶、孫聞
記者:胡喆、陳席元、薛晨
編輯:李歡
新華社國內部出品