2020年1月29日，美國國家科學基金會（National Science Foundation）的丹尼爾·井上望遠鏡（DKIST，Daniel K. InouyeSolar Telescope）終于睜開“巨眼”，觀測到了目前世界上最清晰的太陽圖像。DKIST位于夏威夷毛伊島最高峰海勒卡拉山上，是現(xiàn)在世界上最大口徑的太陽光學望遠鏡，它的主鏡直徑足足有4.24米。

 丹尼爾·井上望遠鏡和主鏡

最清晰的太陽圖像是什么樣子呢？

DKIST拍攝的當前世界上最高分辨率的太陽光球圖像，左側金黃色圓盤是全日面太陽色球圖像，中心白方框表示是DKIST的觀測視場。| 圖源：www.nso.edu/telescopes/dki-solar-telescope/

DKIST第一次睜眼，看的是太陽光球層。圖像中包含許多類似石榴籽一樣的明亮不規(guī)則多邊形，這些“石榴籽”叫做米粒組織。但米粒組織并不像真正的石榴籽一樣緊挨在一起，有暗黑間隙把它們間隔開。有些米粒暗隙中還會出現(xiàn)許多亮點或亮斑。最小的暗隙亮點，直徑大約為30千米，接近曼哈頓島的大小，快趕得上半個太湖。最小的暗隙亮點都這么大，而一個米粒組織的大小呢？圖上標注顯示，一個小米粒的大小抵得上美國德克薩斯州（約70萬平方千米），接近我國青海省的面積（約72萬平方千米）。

也就是說，DKIST能夠看清太陽光球層上30千米尺度的細節(jié)特征！

六朝古都南京的著名旅游勝地紫金山，南北長大約有6千米，也就是要5座紫金山的長度才能達到30千米。對我們個人來說，一座紫金山已經很大了，5座紫金山更是不得了?！?0千米有這么大，為什么天文學家會為能看清太陽上30千米的東西而激動？

生活常識告訴我們，物體離得越遠，目視就越小。如果我們看1千米外一個2米高的人，那么這個人的目視大小相當于看5米外的一個1厘米高的“人”。如果距離足夠遙遠，哪怕是5座紫金山這么大的物體，我們目視也會看不清。

 

太陽系天體大小對比（左）；“目視”太陽 一指遮日（右）

| 圖源：網絡（左）、作者（右）

太陽是太陽系最大的天體，質量是地球的33萬倍，直徑約是地球的109倍。如此巨大的太陽，目視大小是多少呢？如果你對著太陽伸直胳膊，然后伸出一個手指，那么太陽的目視尺寸只有半個指頭寬。這是因為太陽與地球之間平均距離足足有1億5千萬千米！光速都要跑500多秒！直徑為140萬千米的太陽，看上去都只有半個手指頭寬。那太陽上30千米大的東西，更是小得無法看清，只能利用米級地面光學望遠鏡才能分辨出來。

現(xiàn)在理解天文學家們?yōu)槭裁磿驗槟芸辞逄柹?0千米大小的特征而欣喜若狂了吧！

太陽光球層上的“石榴籽”是什么？

太陽是一個氣體大火球，質量的71%是氫，27%是氦，其他元素占不到2%。太陽核心的溫度高達1500萬度，密度是我們地球上水密度的150倍。這種極端條件下，太陽核心每時每刻都進行著四個氫原子聚變成一個氦原子的熱核聚變反應，每秒鐘大約有600億噸氫元素參與聚變反應，約400萬噸物質轉變成能量。根據(jù)愛因斯坦的質能方程，這些能量相當于9000萬億噸TNT炸藥同時爆炸。正是這些能量供應著太陽散發(fā)光和熱，照亮了整個太陽系。從核心向外，太陽的溫度逐漸降低，到光球層時，溫度已經降到6000度，而光球層內的對流層溫度在幾十萬度。如此強的溫度差，導致對流層上部和光球層之間有非常劇烈的物質對流運動，就產生了米粒組織。

對流運動在日常生活中很常見。我們在燒水或煮稀飯時，都是從底部開始加熱。底下溫度高，上面溫度低，高溫物質從下往上運動，在表層就會出現(xiàn)脹大并破裂的氣泡。這就是典型的對流運動的結果。

天文學家們做的一個演示實驗顯示，在鍋內倒入粘稠的液體，然后用電爐加熱，受熱的液體上下對流形成的氣泡形狀和變化與太陽米粒組織非常接近。

DKIST拍攝的米粒組織與石榴籽  | 圖源：www.nso.edu

這是因為在早期進行太陽觀測時，望遠鏡口徑小，分辨率不夠，只能看清太陽光球層上1000千米以上尺度的結構，而一個米粒組織的直徑就在1000千米左右。用小口徑望遠鏡觀測太陽表面，只能看到一個個的明亮小顆粒，就像是布滿了大米一樣。根據(jù)天文學家估計，整個太陽光球層表面大約有400萬個米粒組織。隨著分辨率從低到高變化時，太陽光球層的“米?！币沧兂闪恕笆褡选?。

除了DKIST，世界上還有其他的米級太陽光學望遠鏡，比如美國大熊湖太陽天文臺的古迪太陽望遠鏡（Goode solar telescope，GST），還有我國云南天文臺的新真空太陽望遠鏡（New Vacuum Solar Telescope，NVST）。GST主鏡口徑有1.6米，位于美國加利福尼亞州南部的大熊湖畔，此處海拔2000多米，干旱少雨，大氣視寧度好。從GST對米粒組織的連續(xù)觀測中，我們可以看到這些米粒組織一直變化著，永不停息，每個米粒都會經歷出生，漲大，最后從中間出現(xiàn)一條暗隙，把成熟的米粒分裂成幾個小米粒的過程，平均壽命約為8分鐘。

一般認為對流層的高溫物質持續(xù)從米粒的中間浮現(xiàn)出來，然后往邊緣擴散，冷卻后從米粒暗隙下沉。如果細心觀察還會發(fā)現(xiàn)，并不是所有的米粒暗隙都會出現(xiàn)亮點。由于米粒的運動變化，亮點被不斷擠壓，有的從一個大亮點分裂成多個小亮點，有的從幾個小亮點匯聚成一個大亮點或亮鏈。如果把米粒組織圖像與太陽光球磁場圖像進行對比，會發(fā)現(xiàn)有亮點的米粒暗隙，往往對應著強磁場，而沒有亮點的米粒暗隙，則對應的磁場很弱。

GST觀測的米粒組織演化 | 來源：GST

美國大熊湖太陽天文臺的GST  | 圖源：作者

我國的NVST，安放在中國科學院云南天文臺的撫仙湖太陽觀測站，位于云南省昆明市澄江縣的撫仙湖畔。這里風景優(yōu)美，湖水清澈，空氣潔凈，視寧度好。NVST的主鏡直徑有1米，分辨率僅次于GST，NVST從2010年開光，觀測到大量的高分辨率太陽數(shù)據(jù)，大大推動了我國太陽物理的發(fā)展和進步。

云南天文臺撫仙湖太陽觀測站和NVST  | 圖源：作者

DKIST能看到最清晰的太陽圖像，除了因為“眼睛”大，還采用了一系列的先進觀測支撐系統(tǒng)，比如現(xiàn)在世界上最復雜的自適應光學系統(tǒng)，長達13千米長的冷卻系統(tǒng)等。除了太陽光球層，DKIST還會給我們帶來色球層、內日冕和太陽磁場的高分辨率觀測數(shù)據(jù)，能夠揭示更多的太陽奧秘，有待解決太陽磁場的形成和演化，以及太陽日冕高溫之謎，以及太陽風的加速等難題。

先進天基太陽天文臺  | 圖源：作者

以DKIST為首的大口徑望遠鏡，以及2018年升空的帕克太陽探測器衛(wèi)星（Parker Solar Probe），剛剛發(fā)射的太陽軌道探測器衛(wèi)星（Solar Orbiter），和我國計劃在2021年發(fā)射的先進天基太陽天文臺（Advanced Space-based Solar Observatory，ASO-S），這些地面和空間望遠鏡將開啟一個新的太陽時代，為我們理解太陽演化及其對地球空間環(huán)境的影響等方面實現(xiàn)飛越！

撰文：周團輝

輪值主編：季江徽

編輯：王科超、高娜