EAST上海天文馆科教型自适应光学太阳望远镜-

我们真的认识太阳吗？从夸父逐日到羲和驾车，人们为这颗源源不断提供光与热的星体赋予了不竭的浪漫想象。随着科技的进步，对太阳的探索也不止停留于纸面的书写，人们逐渐发现除了光与热，太阳也有着自己的脾气。

在一些时刻，太阳也会产生自己的风暴，这是太阳大气中剧烈的磁场扰动现象，与太阳黑子和耀斑的活跃紧密相连。日冕物质抛射就像太阳的“火山爆发”，太阳日冕中大量等离子体在短时间内被剧烈地抛射到太空中，携带着高能电子、质子和重离子。当抵达地球时对地球磁场产生强烈的冲击，从而导致地磁暴的产生。大量高能粒子影响地球的磁场而带来一系列连锁反应，不仅能点燃绚丽的极光，还会对我们依赖的卫星系统造成严重影响，电力系统的关键设备也可能因高能粒子的电磁干扰而受损，引发大规模的停电事件。

那么又该如何对太阳进行更深入的观察呢？我们知道，详细观测太阳极具挑战性，就像我们无法利用放大镜观测太阳。在设计太阳望远镜时，需要严格控制内部温度。科学家们通常使用窄带滤光片将大部分热量转移到冷却系统中。另一种思路是只观测太阳盘的一小部分，利用格里高利望远镜的几何特点，在主镜焦点处拦截多余的光，从而控制进入观测系统的光和热量。

而位于上海天文馆的太阳望远镜——科教型自适应光学太阳望远镜EAST（Educational Adaptive-optics Solar Telescope），是当前国际上技术最为先进的太阳科普观测望远镜。它由七个主要部分组成：引导光学系统、全盘太阳成像系统、自适应光学系统、高分辨率太阳成像系统、积分视场单元（IFU）光谱仪、数据采集和存储系统以及公众展示系统。这些系统的协调配合实现了“在望远镜内部观测太阳”的创新理念，突破了传统太阳望远镜通常只记录太阳图像的桎梏。

图 1 EAST总体结构

EAST具有65厘米的主镜口径，同时使光线从望远镜后端进入展示空间，不受太阳视路径的影响。在晴朗的天气条件下，塔核心内的观察者可以看到一束阳光从天空中射入，经过多个光学元件，形成多个不同波长的高分辨率太阳图像，向公众展示整个光学系统的实际光路，这意味着参观者可以直接看到太阳光进入望远镜并观察其在复杂光学平台上的传播路径，从而更全面地理解所得到的图像。

因为地理环境因素，上海天文馆面临着强湍流大气的情况。“一闪一闪亮晶晶”的歌曲我们都听说过，而之所以看到的星星是闪烁的，就是因为大气湍流对光线的影响。对于地基太阳望远镜来说，大气扰动也会导致观测质量下降。为了解决这个问题从而实现更精确的观测，EAST采用自适应光学系统AO实时补偿大气湍流引起的动态波前误差，也就是说，利用自适应的光学技术，通过抵消的办法“适应”了大气扰动，以实现最佳成像性能。

图 2 EAST的AO系统示意图

AO系统的光学设计包括了相关哈特曼波前传感器和高速实时控制器，当太阳光线进入望远镜后，首先由透镜准直器准直，随后进入AO系统进行波前校正。接着变形镜通过调节自身表面形状，从而使大气湍流引起的波前误差得以补偿，提高图像的清晰度与分辨率。

通过图3的两组例子，可以直观地感受到经过AO校正前后图像的质量区别。在图中左侧面板没有进行AO校正，而右侧面板采用基于AO校正的重建。

图 3 AO校正前后图像对比。A和C为开环图像，B和D为基于AO校正的重建图像。

接下来需要解决的重要问题是太阳望远镜的热控。前文提到，设计太阳望远镜时，如何保障热控制是一个极大的挑战。观测过程中积累的热量与望远镜的口径成正相关，可能导致各个光学元件的热变形，严重影响观测质量。EAST采用了主动热控制系统，在主镜焦点处使用液体制冷剂，同时利用热场隔板将96%的太阳辐射反射出去，并利用水冷式热交换器设备冷却隔板，使得筒内温度与周围环境温度之间的差异维持在±1°C以内。

图 4 温度变化监测

如果想要更加深入的了解太阳活动的机理信息，则需要另一项精密的光学信息处理工具——IFU偏振光谱成像系统，这是因为太阳大气中的矢量磁场等物理量是另一维度的光学信息，无法以视觉效果简单呈现出来。IFU偏振光谱成像系统由五部分组成：IFU前端耦合系统、IFU主体、IFU狭缝供给光谱仪、电子控制系统和图像演示系统。如图所示，通过该系统则可以记录全Stokes光谱并进行光谱成像偏振测量，为科学家提供太阳大气的物质流动和结构演变，为公众揭示太阳活动背后的机理。

图 5 IFU光谱成像系统的示意图

为了完成公众科普的重要使命，在太阳塔一楼设置了太阳直播秀平台，太阳望远镜引导的阳光自穹顶经过光学组件，分入四条不同的通道进行处理。平台的核心舱的墙壁上安装了六个显示屏，展示了不同波段的高分辨率局部太阳图像、全盘太阳图像以及太阳光谱成像。使得参观者可以直观地观测到不同类型的太阳活动，让太阳耀斑，太阳黑子等自然现象从“远在天边”到“近在眼前”。

图 6 太阳直播秀

上海天文馆的EAST，使我们可以深入探索太阳的奥秘，还在科学教育和公众参与中发挥重要作用。这颗每天照耀着我们的恒星通过EAST的展示，把太阳黑子的形成与消亡，日珥和耀斑的爆发等神秘而壮丽的景象清晰地呈现在我们眼前。EAST的精妙模拟设计使得无论是晴天还是阴天，EAST都会在这里，为公众开启了解太阳，了解光与热的空间。

参考文献

Du, Zhimao, et al. "The Educational Adaptive-optics Solar Telescope at the Shanghai Astronomy Museum." Astronomical Techniques and Instruments 1.3 (2024): 171-178.

Liu, Zhong, et al. "New vacuum solar telescope and observations with high resolution." Research in Astronomy and Astrophysics 14.6 (2014): 705.

作者：蔡文垂中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究生

审核：李明中国科学院高能物理研究所研究员

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