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第一代光纤阵列太阳光学望远镜(FASOT-1)迎来第一缕曙光
2022-06-10  |  作者:  |  【  】 【打印】 【关闭

  安装在中国科学院云南天文台丽江高美古观测站的第一代光纤阵列太阳光学望远镜(FASOT-1, 见图1) 成功获得二维空间积分视场内各个空间点形成于太阳大气不同高度的多条磁敏谱线斯托克斯光谱数据,迎来其第一缕科学曙光。

  近几十年来,太阳物理学研究最前沿和热门课题是揭示太阳剧烈活动的爆发机制和对这些活动预报。要解开活动爆发的谜团和对这些活动进行可靠的预报,需要追踪太阳大气中可供释放的自由磁能从大气底层的光球经其上的色球和过渡区直到日冕的集聚和输运过程。

  FASOT致力于同时获得太阳大气二维观测区域积分(连续)视场内所有空间点产生的在一定波段范围内斯托克斯(辐射强度及其包含的偏振辐射强度,通常用I,Q,U,V表示)光谱。在这一波段范围内需要有多条形成于不同太阳大气层次的磁敏(对磁场敏感,其朗德因子g较大)谱线,它们成为探测磁场的载体,并且FASOT-1可以通过转动光栅和替换前置滤光片来对用户感兴趣的观测波段进行选择。通过对这些斯托克斯光谱进行可靠的理论分析能使研究者同时获得二维视场内太阳大气不同高度层次的磁场、热力学和动力学精确信息。目前国际上还没有一台常规观测太阳光学望远镜具备了这样的功能。

  FASOT仪器结构的最大特征为一对积分视场单元(IFU,图1中标注处为一对IFU头和延伸出的光纤束),类似于自然界蜻蜓等昆虫的一对复眼。然而,这对IFU不像昆虫复眼那样用于导航,而是用来实现高灵敏度偏振测量,从而达到高灵敏度测量太阳大气中磁场的目的。除了望远镜科学仪器结构的新颖性(成对的IFU)以及以上所述功能的独特性,基于J.F. Donati等人首先提出的偏振光学开关(POS),屈中权等人发明的能更有效提高偏振测量灵敏度和时间分辨率的约化偏振光学开关(RPOS)技术已经成功运用于FASOT-1双光束(由双IFU传输)偏振解调中(在此之前,FASOT原理样机运用这样的技术对2013年11月非洲加蓬日全食观测科学资料分析已经取得了科学成果)。国际著名太阳物理学家J.O.Stenflo教授曾经预测,FASOT可能会打开新的一类太阳科学观测仪器的大门,而中国科学院云南天文台FASOT团组现在正缓慢而艰难地将此预测变为现实。

  FASOT-1的一对扇形IFU产生1240多条光纤光谱,拥有620多个空间采样点,25条直线串联多个光纤的相接的“狭缝”。这一对IFU由哈尔滨工程大学和中国科学院云南天文台联合研制(国家自然科学基金委和中国科学院天文联合重点基金项目)。图2展示了采集到的部分原始光纤光谱。在左右每一条谱带中,竖直分布最黑(在太阳大气中吸收最强)的三条谱线为中性镁Mg I三线:b1: 518.4nm; b2: 517.3nm; b4: 516.7nm)。

  图3展示出2022年4月22日FASOT-1对太阳表面一个编号为NOAA 12994活动区的局部观测,在数据处理后解调出的斯托克斯光谱局部样本(图中只显示了IFU前端25个相接“狭缝”中的5个相邻“狭缝”)。横向为色散(波长)方向,竖直方向为对IFU二维前端重新编织排列的空间点分布方向。其中辐射强度I光谱图像(上图)为视场内空间点的辐射经过色散后在各个波长采样点强度分布,而V/I光谱图(下图)则给出了对应的归一化圆偏振信号。可以看出,即使在色球中高层大气中形成的一次电离钛线(Ti II 515.4nm)处也探测到圆偏振信号。由此表明,FASOT-1具备了从光球层、色球中低层到中高层同时探测磁场等物理量的硬件基础。

  图4给出了在不同空间点抽取出来的三条形成于不同大气高度谱线斯托克斯光谱轮廓。从图中可以看出,我们关注的形成于太阳光球的中性铁线Fe I 519.1nm等多条谱线的归一化圆偏振V/I光谱的信噪最强,形成于太阳色球中低层的中性镁三线 (以Mg I 517.3nm为例) 信噪比次之,而形成于更高层的Ti II 515.4nm归一化圆偏振信号较弱。这是由于在磁场存在的区域,在太阳大气中由热压力和磁压力组成的压力平衡作用下,磁场向高层大气扩散导致的磁场强度变弱(称为伞盖效应),从而其产生的偏振信号也随着变弱的结果。在图4中的第二排和第三排还展示了电离钛线Ti II 515.4nm,中性镁Mg I 517.3nm, 以及中性铁线 Fe I 519.1nm的归一化线偏振光谱(Q/I和U/I)的轮廓。读者可能注意到了在中性镁线Mg I 517.3nm的红蓝线翼各有一条其它磁敏谱线。由于目前偏振测量灵敏度还未达到预定目标,线偏振光谱只是在二维积分视场少数空间采样点才能探测到。

  综上所述,FASOT-1已经实现了从光球、中低层色球到中高层色球探测磁场以及其他物理学量的初步观测目标。FASOT团组将在南方雨季期间对FASOT-1进行必要的升级改造和系统完善,进一步提高其偏振测量灵敏度,从目前的10-3提升到10-4量级。

  FASOT-1得到国家自然科学基金重大科研仪器研制项目(自由申请)、国家自然科学基金委员会和中国科学院天文联合基金重点项目以及中国科学院院级科研仪器设备项目(青年)支持。

图1 安装在中国科学院云南天文台丽江高美谷观测站的FASOT-1。详情如下:左图:观测圆顶;中图:位于观测圆顶内一楼的FASOT-1引导光学及部分科学分析仪器。积分视场光谱仪通过光纤束(共四个子束在IFU后端形成四个子狭缝)与这部分进行光学链接;右图:位于观测圆顶内底层可容纳多条狭缝同时色散的积分视场光谱仪(外部人工光源照亮后拍摄,中国科学院院级科研仪器设备研制项目)

图2 FASOT-1采集处于一个偏振调制态的原始光谱图像(局部)。左右两片光谱带由两条狭缝在一台积分视场光谱仪同时色散产生。横向每一条短亮带为一条光纤产生的光谱。左右谱带中黑色最粗斜线为中性镁Mg I b三线,人工画出的红线标注了目前使用的波段(513nm -520nm)。在黑子(光谱带中横向较黑)区域,磁场对磁敏谱线的加宽效应明显可见

图3 同时获得的二维积分视场中对应太阳观测表面时相接的5条“狭缝”解调后的斯托克斯光谱。上:辐射强度I光谱。下:归一化圆偏振V/I光谱。容易看出,FASOT-1既探测到了形成于光球层的FeI519.1nm (g=2.0) 强圆偏振信号和低色球层的Mg I b三线(g=1.25~2.0)中等强度的圆偏振信号,也获得了形成于色球中高层的电离钛线Ti II 515.4nm(g=1.50)较弱的圆偏振信号

图4 从不同空间点抽取的归一化斯托克斯I/Ic, Q/I, U/I和V/I光谱轮廓。在每一个纵列图组中,分别展示了Ti II 515.4nm, MgI 517.3nm, 以及FeI 519.1nm谱线相应斯托克斯轮廓

                                                             

  

  

 
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