EAST上海天文館科教型自適應光學太陽望遠鏡
我們真的認識太陽嗎？從夸父逐日到羲和駕車，人們爲這顆源源不斷提供光與熱的星體賦予了不竭的浪漫想象。隨着科技的進步，對太陽的探索也不止停留於紙面的書寫，人們逐漸發現除了光與熱，太陽也有着自己的脾氣。
在一些時刻，太陽也會產生自己的風暴，這是太陽大氣中劇烈的磁場擾動現象，與太陽黑子和耀斑的活躍緊密相連。日冕物質拋射就像太陽的“火山爆發”，太陽日冕中大量等離子體在短時間內被劇烈地拋射到太空中，攜帶着高能電子、質子和重離子。當抵達地球時對地球磁場產生強烈的衝擊，從而導致地磁暴的產生。大量高能粒子影響地球的磁場而帶來一系列連鎖反應，不僅能點燃絢麗的極光，還會對我們依賴的衛星系統造成嚴重影響，電力系統的關鍵設備也可能因高能粒子的電磁干擾而受損，引發大規模的停電事件。
那麼又該如何對太陽進行更深入的觀察呢？我們知道，詳細觀測太陽極具挑戰性，就像我們無法利用放大鏡觀測太陽。在設計太陽望遠鏡時，需要嚴格控制內部溫度。科學家們通常使用窄帶濾光片將大部分熱量轉移到冷卻系統中。另一種思路是隻觀測太陽盤的一小部分，利用格里高利望遠鏡的幾何特點，在主鏡焦點處攔截多餘的光，從而控制進入觀測系統的光和熱量。
而位於上海天文館的太陽望遠鏡——科教型自適應光學太陽望遠鏡EAST（Educational Adaptive-optics Solar Telescope），是當前國際上技術最爲先進的太陽科普觀測望遠鏡。它由七個主要部分組成：引導光學系統、全盤太陽成像系統、自適應光學系統、高分辨率太陽成像系統、積分視場單元（IFU）光譜儀、數據採集和存儲系統以及公衆展示系統。這些系統的協調配合實現了“在望遠鏡內部觀測太陽”的創新理念，突破了傳統太陽望遠鏡通常只記錄太陽圖像的桎梏。
圖 1 EAST總體結構
EAST具有65釐米的主鏡口徑，同時使光線從望遠鏡後端進入展示空間，不受太陽視路徑的影響。在晴朗的天氣條件下，塔核心內的觀察者可以看到一束陽光從天空中射入，經過多個光學元件，形成多個不同波長的高分辨率太陽圖像，向公衆展示整個光學系統的實際光路，這意味着參觀者可以直接看到太陽光進入望遠鏡並觀察其在複雜光學平臺上的傳播路徑，從而更全面地理解所得到的圖像。
因爲地理環境因素，上海天文館面臨着強湍流大氣的情況。“一閃一閃亮晶晶”的歌曲我們都聽說過，而之所以看到的星星是閃爍的，就是因爲大氣湍流對光線的影響。對於地基太陽望遠鏡來說，大氣擾動也會導致觀測質量下降。爲了解決這個問題從而實現更精確的觀測，EAST採用自適應光學系統AO實時補償大氣湍流引起的動態波前誤差，也就是說，利用自適應的光學技術，通過抵消的辦法“適應”了大氣擾動，以實現最佳成像性能。
圖 2 EAST的AO系統示意圖
AO系統的光學設計包括了相關哈特曼波前傳感器和高速實時控制器，當太陽光線進入望遠鏡後，首先由透鏡準直器準直，隨後進入AO系統進行波前校正。接着變形鏡通過調節自身表面形狀，從而使大氣湍流引起的波前誤差得以補償，提高圖像的清晰度與分辨率。
通過圖3的兩組例子，可以直觀地感受到經過AO校正前後圖像的質量區別。在圖中左側面板沒有進行AO校正，而右側面板採用基於AO校正的重建。
圖 3 AO校正前後圖像對比。A和C爲開環圖像，B和D爲基於AO校正的重建圖像。
接下來需要解決的重要問題是太陽望遠鏡的熱控。前文提到，設計太陽望遠鏡時，如何保障熱控制是一個極大的挑戰。觀測過程中積累的熱量與望遠鏡的口徑成正相關，可能導致各個光學元件的熱變形，嚴重影響觀測質量。EAST採用了主動熱控制[1] [2] 系統，在主鏡焦點處使用液體制冷劑，同時利用熱場隔板將96%的太陽輻射反射出去，並利用水冷式熱交換器設備冷卻隔板，使得筒內溫度與周圍環境溫度之間的差異維持在±1°C以內。
圖 4 溫度變化監測
如果想要更加深入的瞭解太陽活動的機理信息，則需要另一項精密的光學信息處理工具——IFU偏振光譜成像系統，這是因爲太陽大氣中的矢量磁場等物理量是[3] 另一維度的光學信息，無法以視覺效果簡單呈現出來。IFU偏振光譜成像系統由五部分組成：IFU前端耦合系統、IFU主體、IFU狹縫供給光譜儀、電子控制系統和圖像演示系統。如圖所示，通過該系統則可以記錄全Stokes光譜並進行光譜成像偏振測量，爲科學家提供太陽大氣的物質流動和結構演變，爲公衆揭示太陽活動背後的機理。
圖 5 IFU光譜成像系統的示意圖
爲了完成公衆科普的重要使命，在太陽塔[4] 一樓設置了太陽直播秀平臺，太陽望遠鏡引導的陽光自穹頂經過光學組件，分入四條不同的通道進行處理。平臺的核心艙的牆壁上安裝了六個顯示屏，展示了不同波段的高分辨率局部太陽圖像、全盤太陽圖像以及太陽光譜成像。使得參觀者可以直觀地觀測到不同類型的太陽活動，讓太陽耀斑，太陽黑子等自然現象從“遠在天邊”到“近在眼前”。
圖 6 太陽直播秀
上海天文館的EAST[5] ，使我們可以深入探索太陽的奧祕，還在科學教育和公衆參與中發揮重要作用。這顆每天照耀着我們的恆星通過EAST的展示，把太陽黑子的形成與消亡，日珥和耀斑的爆發等神祕而壯麗的景象清晰地呈現在我們眼前。EAST的精妙模擬設計使得無論是晴天還是陰天，EAST都會在這裏，爲公衆開啓瞭解太陽，瞭解光與熱的空間。
參考文獻
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.
