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我们为什么要造日冕仪

最近,中国科学院云南天文台的一架镜头直径70毫米的日冕仪样机在丽江日冕站成功获得日冕图像,这意味着我国已掌握日冕仪的关键技术,在自主研发日冕仪的进程中获得了历史性突破。

天文学常识告诉我们,太阳是一个巨大的火球。太阳中心产生的能量传递到太阳表面,成为紫外线、可见光和红外线为主的辐射,我们肉眼可以看到的太阳就是可见光辐射。这些光从太阳表面发出,我们因此将发光的球面称为“光球”。更深入的研究发现,太阳的光球外面还笼罩着一层若隐若现的“色球”,呈玫瑰色,非常漂亮。色球外面还有一层像帽子一样形状的稀薄气体,密度只有地球海平面大气压的百万分之几,这层稀薄的气体就是日冕。

冕,就是帽子的意思,日冕也就是“太阳的帽子”。天文学家仔细分析了日冕的化学成分之后,震惊地发现,里面含有的一些铁离子失去了13个电子,并据此计算出日冕温度可达到一百万摄氏度左右。作为对比,太阳光球层的温度只有大约5500摄氏度。日冕的形状跟太阳的活跃性有关。在太阳比较宁静的时候,日冕主要分布在太阳赤道附近,形状像蝴蝶;在太阳剧烈活动时,整个太阳都被日冕围绕着,此时的日冕就像一个大圆帽子。因此,日冕是随着太阳的活动而活动的。

正常情况下,我们在地球上无法看到日冕,因为太阳光球的辐射会淹没日冕发出的辐射。要想看到日冕,必须等到日全食时,此时太阳光球辐射全部被月球遮挡住,相对暗淡的日冕才会露出真面目。由于日全食很难出现且持续时间很短,仅仅在日全食时观测日冕,是远远不能满足天文学家的需求的。为此,天文学家研究出一种仪器,用来遮挡太阳的“盘面”发出的辐射,但不遮挡日冕,形成日全食一样的效果,然后就可以在任何晴朗的白天观测日冕了。这个用来遮挡阳光的仪器就是日冕仪。

1930年,法国天文学家里奥制造出了世界上第一架日冕仪。日冕仪的基本原理是:用一个遮挡盘遮挡住太阳盘面发出的光,这个遮挡盘有反射镜功能,放在望远镜的焦点处,将光反射后从望远镜筒侧面开口的光热窗,就像油烟机把油烟排掉一样。后来改进的日冕仪中,也有一些将遮挡盘放在望远镜外面,直接遮挡太阳光。

但仅仅遮挡住直射的阳光还不够,因为太阳光是一种波,具有“绕道”行走的能力,这就是衍射。一般情况下,衍射现象不明显,但在日冕仪以及其他一些仪器中,衍射会比较明显。即使遮挡住太阳光,还是有一些太阳光会绕道前进,绕过挡板边缘,汇聚在中心,形成明亮的斑点,破坏日冕仪的效果。为了消除衍射的影响,要使用特制的透镜来消除这种衍射效应。此外,还有所谓的“边缘效应”要消除掉。

除了要消除直射与衍射的阳光外,还要消除大气散射的影响。大气散射光会形成很强的背景光污染,让日冕黯然失色。作为对比,日全食的时候,整个地球处于黑暗中,不存在大气散射的阳光的干扰,人们可以轻易观测到日冕。为了消除大气散射的影响,日冕仪一般在安置在高海拔处,并要求大气抖动不剧烈;有些团队甚至将日冕仪放到太空中,以大大降低大气散射光的影响。这些困难使得看似简单的日冕仪很难被制造出来。

日冕仪可以用来观测日冕,但天文学家并不满足于此,他们将日冕仪推广为“星冕仪”,用来观测太阳系外的行星,即“系外行星”。人们很早之前就知道太阳系之外还有很多恒星,并猜测也有很多行星绕着它们转,就像太阳系里的行星绕着太阳转。但直接观测这些行星是非常困难的,因为它们反射的光远远暗于它们围绕着的恒星发出的光,就像明亮的火堆旁边的萤火虫。天文学家用星冕仪遮挡掉那些恒星的光,就有可能看到那些恒星周围的行星了。

采用这个方法,天文学家已经直接观测到一些系外行星。当然,我们在地球上看太阳系内其他行星,用不着日冕仪和星冕仪,因为地球自身会挡住阳光,只需要在地球上夜晚的区域,就可以直接观测其他行星。而对于很明亮的金星,即使在清晨与黄昏,也可以直接看到。

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