火球上的“雨滴”：迄今为止最清晰的太阳狂野日冕内部照片

革命性的望远镜升级揭示了隐藏的日冕结构，带来前所未有的清晰太阳图像。图片来源：Schmidt 等人/NJIT/NSO/AURA/NSF

团队利用一项名为日冕自适应光学的强大新技术，消除了地球大气的模糊影响，展现出令人惊叹的高分辨率太阳活动图像和影片。他们的研究成果发表在《自然天文学》杂志上，为理解太阳的极端高温、太阳喷发以及驱动太空天气的力量开辟了激动人心的新可能性。

日冕，即太阳最外层的大气层，几十年来一直吸引着科学家们的关注。日冕通常只有在日全食期间才能看到，它以其极高的高温、爆发性的喷发和巨大的太阳物质环而闻名。但在此之前，几乎不可能捕捉到该区域的清晰图像。地球大气层会使光线变得模糊，使得研究日冕的精细细节变得困难。

这种情况正在开始改变。来自美国国家科学基金会国家太阳天文台和新泽西理工学院的科学家们开发了一项名为日冕自适应光学的突破性技术。该系统消除了大气模糊的影响，并已拍摄到迄今为止最清晰的太阳外层大气图像和最精细的视频。他们的研究成果发表在《自然天文学》杂志上，可能会彻底改变我们对太阳喷发、太空天气以及日冕神秘热量的理解。

这套名为“Cona”的新系统安装在加州1.6米口径的古德太阳望远镜上。该系统由美国国家科学基金会（NSF）支持建造，并由新泽西理工学院（NJIT）日地研究中心运营，其先进技术可以补偿地球大气湍流造成的扭曲，类似于飞机湍流时的晃动。

“空气湍流会严重影响我们通过望远镜看到的太空物体（例如太阳）的图像质量。但我们可以解决这个问题。”领导此项研发的 NSO 自适应光学科学家 Dirk Schmidt 说道。

该团队的众多精彩观测成果中，有一部展现日珥快速重构过程的影片，揭示了内部细密湍流。日珥是巨大明亮的结构，通常呈拱形或环状，从太阳表面向外延伸。

这段延时视频拍摄了太阳表面上方的日珥，以前所未有的细节展现了其快速、细微且湍急的结构重构。太阳蓬松的表面覆盖着“针状体”，即短暂的等离子体喷流，其形成机制仍是科学界争论的焦点。图片右侧的条纹是落在太阳表面的日冕雨。这段视频由大熊湖太阳天文台的古德太阳望远镜使用新型日冕自适应光学系统Cona拍摄。视频展示了太阳等离子体发出的氢-α光。视频经过人工着色，但基于氢-α光的颜色，颜色越深，光线越亮。图片来源：Schmidt et al./NJIT/NSO/AURA/NSF

第二部影片重现了精细结构等离子体流的快速形成和坍缩。“这是迄今为止此类观测中最详细的，展现了此前从未观测到的特征，而且目前尚不清楚它们是什么，”该研究的合著者、新泽西理工学院-加州科学技术研究中心（NJIT-CSTR）研究教授瓦西里·尤尔奇辛（Vasyl Yurchyshyn）说道。“建造一台能以前所未有的方式向我们展示太阳的仪器，真是令人兴奋不已，”施密特补充道。

这段延时影片展示了形状复杂的等离子体流在日冕环系统前方以近每秒100公里的速度形成和坍缩的过程。这很可能是科学家们首次观测到这种被科学家们称为“等离子体粒”的等离子体流，这让他们对观测到的动态现象的物理解释产生了疑问。这段视频由大熊湖太阳天文台的古德太阳望远镜使用新型日冕自适应光学系统Cona拍摄。视频展示了太阳等离子体发出的氢-α光。视频经过人工着色，但基于氢-α光的颜色，颜色越深，光就越亮。图片来源：Schmidt等人/NJIT/NSO/AURA/NSF

第三部影片展示了细小的日冕雨——一种冷却等离子体凝结并落回太阳表面的现象。“日冕中的雨滴直径可能小于20公里，”国家天文台天文学家托马斯·沙德根据迄今为止最详细的日冕雨图像得出结论，“这些发现提供了新的、宝贵的观测见解，对于测试日冕过程的计算机模型至关重要。”

日冕雨是在太阳日冕中较热的等离子体冷却并变得更稠密时形成的。与地球上的雨滴一样，日冕雨在重力作用下被拉向地表。由于等离子体带电，它会沿着磁场线（形成巨大的拱形/环状结构）下落，而不是直线下落。这段延时视频由迄今为止分辨率最高的日冕雨图像组成。科学家在论文中表明，这些线状结构可以窄于20公里。这段视频由大熊湖太阳天文台的古德太阳望远镜使用新型日冕自适应光学系统Cona拍摄。视频展示了太阳等离子体发出的氢-α光。视频经过人工着色，但基于氢-α光的颜色，颜色越深，光线越亮。图片来源：Schmidt等人/NJIT/NSO/AURA/NSF

另一部影片展示了受太阳磁力影响的日珥剧烈运动。

这段日珥的延时影片展示了等离子体如何随着太阳磁场“舞动”和旋转。该视频由大熊湖太阳天文台的古德太阳望远镜使用新型日冕自适应光学系统Cona拍摄。视频展示了太阳等离子体发出的氢-α射线。视频经过人工着色，但基于氢-α射线的颜色，颜色越深，光线越亮。图片来源：Schmidt等人/NJIT/NSO/AURA/NSF

日冕被加热到数百万度，远高于太阳表面温度，其加热机制尚不为科学家所知。日冕也是温度更低的太阳等离子体动态现象的发生地，这些等离子体在日食期间呈现淡红色和粉色。科学家认为，解析这些温度更低的等离子体在小尺度上的结构和动力学，是解开日冕加热之谜的关键，也有助于我们更好地理解将等离子体喷射到太空并驱动太空天气的喷发现象。太空天气是指地球近太空环境主要受太阳活动（例如太阳耀斑、日冕物质抛射和太阳风）影响的条件，这些条件可能会影响地球和太空中的技术和系统。所需的精度需要像该团队开发的大型望远镜和自适应光学系统。

GST 系统 Cona 使用每秒 2200 次不断自我重塑的镜面来抵消湍流空气造成的图像质量下降。BBSO 光学工程师兼首席观察员 Nicolas Gorceix 表示：“自适应光学系统就像智能手机相机中增强的自动对焦和光学防抖功能，但它校正的是大气误差，而不是用户手抖。”

自21世纪初以来，自适应光学技术已被用于大型太阳望远镜，以最大程度地恢复太阳表面图像，使望远镜能够达到其理论衍射极限，即光学系统的理论最大分辨率。这些系统从此彻底改变了对太阳表面的观测，但迄今为止，它们对日冕的观测尚无用武之地；而对太阳边缘以外特征的分辨率则停滞在1000公里或更差的水平，与80年前达到的水平相当。

“新的日冕自适应光学系统弥补了几十年来的这一差距，并提供了分辨率为 63 公里的日冕特征图像，这是 1.6 米古德太阳望远镜的理论极限，”NSO 首席技术专家 Thomas Rimmele 说道，他为太阳表面建造了第一个可操作的自适应光学系统，并推动了这一发展。

日冕自适应光学系统现已在GST投入使用。“这项技术进步将带来翻天覆地的变化；分辨率提高10倍后，将会有很多发现。”施密特说道。

该团队目前已掌握如何克服地球大气层最低区域（即对流层）对太阳边缘以外观测分辨率的限制，并正致力于将这项技术应用于美国国家科学基金会（NSF）的4米口径丹尼尔·K·井上太阳望远镜。该望远镜由美国国家天文台（NSO）在夏威夷毛伊岛建造和运营。这架世界上最大的太阳望远镜将能够观测到太阳大气层中更细微的细节。

“这项变革性技术很可能被世界各地的天文台采用，并将重塑地面太阳天文学，”新泽西理工学院-科学院杰出物理学研究教授、BBSO前主任、该研究的共同作者菲利普·R·古德（Philip R. Goode）说道。“随着日冕自适应光学系统的投入运行，这标志着太阳物理学新时代的开始，有望在未来数年乃至数十年内带来更多发现。”

编译自/ScitechDaily