我们为何要观测太阳？太阳望远镜与一般天文望远镜究竟有何不同？

mzeast

太阳究竟长啥样？太阳表面是什么样？抬头直接看显然不现实，望远镜有了巴德膜buff加成……太阳好像变成了一个平平无奇的小球，清晰度也完全不够。去也去不了，看也看不清！别急，和大院er一起用太阳望远镜看“清”太阳吧~

加了巴德膜望远镜观察下的太阳（图片来源：维基百科）

01 为何要观测太阳？

太阳是我们唯一能观测到表面细节的恒星，这也使得太阳成为最重要的天文观测对象之一。我们直接观测到的是太阳的大气层，它从里向外分为光球、色球和日冕三层。虽然就总体而言，太阳是一个稳定、平衡、发光的气体球，但它的大气层却处于局部的激烈运动之中。太阳活动主要包括太阳黑子、耀斑、暗条或日珥和日冕物质抛射等。

太阳活动对地球影响示意图（图片来源：维基百科）

太阳爆发会向日地空间抛射大量的电磁辐射和带电粒子，与地球磁场相互作用后可能产生地磁暴（1989年魁北克大面积停电事件）和高能电子暴等灾害性空间天气事件。太阳风暴对技术装备的影响涉及到航天器的安全运行、无线通信、导航和定位系统、输电网络和输油管道、天气和气候等多个方面。而太阳磁场是太阳风暴的根本驱动力，也是太阳活动对行星际空间、地球空间以及人类活动产生影响的“幕后黑手”。因此，太阳磁场的测量便成了一个重要的科学问题。

02 太阳望远镜≠夜天文望远镜

夜天文望远镜，顾名思义，是用于观测除恒星外的星体的天文望远镜，由于白天太阳光强过强，我们无法观测到除太阳外的其它星体，这也是为什么星星只能在晚上看到的原因。那么，太阳望远镜和夜天文所使用的望远镜都有巨大的主镜，它们的区别在哪儿呢？

太阳观测（上）与夜天文目标观测（下）（图片来源：IOE）

专业的太阳望远镜可能有很长焦距的主要光学元件和在真空中工作的光路，这是为了排除望远镜内部对流引起的气流运动对观测的影响。太阳望远镜在白天工作，望远镜周围的环境会被加热引起湍流并降低分辨力，为了降低其影响，太阳望远镜往往建在塔上，并涂成白色，甚至有的太阳望远镜还坐落在湖边。此外，针对太阳望远镜的面临太阳光聚焦所产生的过高热量问题，每一个太阳望远镜内几乎都有用来承受这种热负荷并保持冷却的部件以及完整的热控系统。太阳望远镜的热控系统可以算是其与普通望远镜的最大区别。

同样的，太阳望远镜也有很多种类。根据所处位置，可以分为地基太阳望远镜和空间太阳望远镜；根据光学系统，可以分为折射式望远镜和反射式望远镜，不过由于大口径的需要，现在主流的望远镜都是反射式的；根据装置类型，可分为太阳塔和水平式。另外，除光学太阳望远镜外，还有射电、红外、紫外等针对不同波段的太阳望远镜。

不同分辨力下的太阳黑子（图片来源：SPIE）

如图展示了不同角分辨力下的太阳黑子照片，显然在低分辨力的观测中我们难以获得其准备信息，也不能很好地观察其演化过程。

从历史观测我们知道，太阳活动区通常对应1′~2′左右的视场区域，太阳大气内等离子体和磁场的相互作用影响需要分辨空间尺度在0.1′左右。而望远镜衍射极限角分辨力由望远镜的主镜口径所决定（θ =1.22λ /D ），因而为了能够获得更清晰的太阳表面细节就需要更大口径的太阳望远镜。

那么，是不是口径越大望远镜的分辨力就一定越高呢？事实并不是这样。对于安装在地球上的地基太阳望远镜来说，由于地球大气扰动的影响，无论望远镜口径多大，其分辨力仅相当于15-30cm口径望远镜。

大气扰动对望远镜的影响（图片来源：IOE）

为了解决大气视宁度（望远镜显示图像的清晰度）对地基大口径望远镜的影响，科学家们发展出了自适应光学（AO）技术。自适应光学技术是地基大口径光学望远镜实现高分辨力成像的主要手段，现在世界上的大口径望远镜几乎都安装有自适应光学系统。它可以通过波前探测和波前校正器对大气扰动产生的影响进行物理校正，能够极大降低大气视宁度对望远镜分辨力的影响。由于自适应光学技术的出现，才使得地基大口径太阳望远镜能够朝着更大口径发展。

03 从1米到4米

地基太阳望远镜发展到今天，根据主镜口径大小可划分为三个发展阶段：1米级（及以下）太阳望远镜、2米级太阳望远镜和4米级太阳望远镜。

国际太阳望远镜发展（图片来源：IOE）

下面我们先看看最初的1米级太阳望远镜都有哪些。

荷兰的开放式望远镜（DOT）坐落在穆查丘斯罗克天文台，是一架主镜口径45cm的太阳望远镜，它的成就之一是在2004年的金星凌日录制了可以观赏的影片。

金星凌日（图片来源：NASA）

日本京都大学飞弹天文台建立的60cm反射式无圆顶太阳望远镜（DST），旨在以最高的空间分辨率获取太阳表面图像。从建成到近年，无圆顶太阳望远镜在观测引发太阳爆发事件的机制以及空间等离子物理中的其它现象方面做出了巨大的科学进步。

中国也紧随其后，90年代，多通道太阳望远镜（口径35cm）建成，位于中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地，由五个不同功能的望远镜组成。该望远镜是我国独创的，能同时测量太阳不同层次、不同尺度的矢量磁场、速度场、通过光谱扫描获得光谱线轮廓和斯托克斯参数轮廓、高时间和高空间分辨率、高灵敏度的高科学含量综合望远镜。

21世纪以来，欧洲有许多新的望远镜取代了以前的旧望远镜。2002瑞典1米太阳望远镜（NSST）开始工作。瑞典1米太阳望远镜由瑞典皇家科学院太阳物理研究所运营，是当时欧洲最大的太阳望远镜，在高空间分辨率上是世界第一。其位于加纳利群岛拉帕尔马山的穆查丘斯罗克天文台，结合了高光学质量、自适应光学和先进的图像恢复技术。

云南NVST望远镜（图片来源：云南天文台）

中国在望远镜精度和口径方面也在快速发展，2009年，1米真空太阳望远镜（NVST）在中国科学院云南天文台抚仙湖观测站建成，是一架地平式望远镜，于2012年正式运行。其主要科学目标是在0.3~2.5微米波段对太阳进行高分辨率成像和光谱观测，包括测量太阳磁场的精细结构、高时空分辨率的演化过程。

美国大熊湖太阳观测站（图片来源：SPIE）

然而美国在太阳望远镜的研制上很长一段时间内都处于领先地位。2008年，美国大熊湖太阳观测站建造的古德太阳望远镜（Goode Solar Telescope,GST）是世界首台两米级太阳望远镜，在十多年里是世界上口径最大、分辨率最高的太阳望远镜。GST能够在可见光到近红外波段观测太阳，具有1.6米有效口径，采用了离轴格里高利光学系统，应用了自适应光学和主动光学技术。该望远镜主要用于在高时空分辨率下研究太阳耀斑；在耀斑活跃区研究磁场的结构和演化；研究太阳光球层中磁场强度为千高斯的磁流管的动力特性；研究太阳黑子区磁发电机对流等。

德国GREGOR望远镜 （图片来源:SPIE）

2012年由德国太阳物理研究所等科研机构研制的主镜口径为1.5m的GREGOR太阳望远镜建成。GREGOR采用了3镜式同轴格里高利光学系统，开放式结构。该太阳望远镜主要任务是通过对太阳的高精度偏振测量，从而得到太阳磁场的空间分布，进而研究改样磁流的出现、演变和消亡；研究太阳黑子的能量补偿；研究太阳色球等。

在我国，中国科学院光电技术研究所研制从2013年开展1.8米太阳望远镜（CLST）设计及研制工作，先后在国内首次突破主镜热控、低对比度扩展目标波前探测等一系列关键技术，并于2019年12月成功实现首光，获取到太阳大气光球层和色球层近衍射极限高分辨力成像结果。

正在观测的CLST望远镜 （图片来源：IOE）

这是我国首套2米级太阳望远镜，也是在美国4米太阳望远镜DKIST正式运行前，国际上已建成的最大口径太阳望远镜。未来该太阳望远镜还将配备太阳多层共轭自适应光学系统、太阳活动区高分辨力磁场和速度场探测系统等，以获取更全面的太阳活动监测数据，为太阳活动的发生、发展演化提供更精确更详实的观测数据。

CLST高分辨力观测结果（上为光球层，下为色球层） （图片来源：IOE）

除了已建成的1.8米太阳望远镜CLST之外，我国还在筹建2台新的大口径太阳望远镜，分别是2.5米多功能太阳望远镜和8米环形太阳望远镜，暂选址海拔4700米以上的四川稻城无名山，它们将共同推动我国太阳大气高分辨力探测技术及相关物理研究的进步。

国际上，美国研制了一台口径4米的太阳望远镜——4米级丹尼尔·井上太阳望远镜（DKIST），设备经过调试安装，于2019年12月获得阶段成像结果。根据DKIST研制计划，该太阳望远镜已于2020年正式投入运行。耗资3.44亿美元、历时20年研制的DKIST将把人类对太阳的探索带入新的发展阶段。

DKIST望远镜（图片来源：SPIE）

最清晰的太阳照片（图片来源：维基百科）

此外，欧洲太阳望远镜协会（EAST）2007年倡议建一个4米级地面太阳望远镜（EST），暂选址canary群岛，与DKIST在地理区位上形成互补。EST太阳望远镜的建设过程一波三折，建设计划一度夭折，最终在2016年由西班牙牵头、欧盟等28个国家共同参与重启建设计划，经费预算2.6亿欧元，预计2026年建成。

04 太阳望远镜的未来

北京大学地球与空间科学学院教授、中国科学院太阳活动重点实验室主任田晖表示：“大口径的地面太阳望远镜主要是对太阳光球层和色球层的精细结构和动力学特征进行观测，这些结构及其演化特征与太阳磁场的产生和演化、日冕百万度高温的产生和维持、太阳爆发的机制等科学问题紧密相关。”

回顾世界上太阳望远镜的发展历程后，我们不难看出，在整个发展历程中，太阳望远镜一直在朝着大口径发展；不仅如此，在口径变大的过程中，太阳望远镜上装配的测量观测仪器也越来越多，精度越来越高。并且，由于大气视宁度的影响，大口径太阳望远镜都不得不加装自适应光学系统；因而天基太阳望远镜也是另一个重要的发展方向，其在太空中望远镜可不受大气视宁度的影响。

即使如今，我们对太阳的观测程度还远远不够，亦不能足够精准地预测太阳的活动；因此，对太阳的科学观测仍然任重道远！