如何給太陽做“CT”

張蘭強

近幾年，我國科學家在太陽高分辨力觀測領域屢創佳績：2016年中國科學院光電技術研究所成功研制了當時世界上通道數最多的太陽大氣多波段層析成像系統；2020年初，該所又成功研制了中國首套2米級太陽望遠鏡。這也是美國4米太陽望遠鏡DKIST正式運行之前國際上已建成的最大口徑太陽望遠鏡。如果太陽大氣多波段層析成像技術這個名詞說起來有點太專業的話，我們不妨通俗來講，就是給太陽做“CT”。至于為什么能給太陽做“CT”？具體怎么做“CT”？還得從源頭來回顧一下這項技術的演進過程。

太陽光譜，從顏色到夫瑯禾費線

本質上，太陽大氣層析成像并不是我們常規理解的斷層掃描成像，而是利用不同波長的太陽光進行多光譜同時成像的過程。因此在開始介紹之前，我們得先補充一點有關太陽光譜的知識。

在太陽物理研究初期，人們是從太陽的顏色研究入手的，最著名的要數牛頓的三棱鏡實驗。當一縷太陽光通過三棱鏡時，會按照波長不同被色散開來形成彩虹狀的各種顏色排列，就像下圖展示的那樣。也就是說，白色的太陽光是由彩虹般多重顏色的光組合而成的。這種色散后按照不同顏色的組合排列就是光譜。后來隨著人類對光的進一步理解（光是電磁波），光譜也用來描述所有電磁波的波長分布。

顏色通常是部分波長的電磁波（可見光波段）被人類視覺系統感知后的產物。根據波長的不同，從伽馬射線到無線電都是電磁波，只是絕大部分都無法被我們直接感知，人類視覺系統可見的那很小一部分被稱為可見光。

在牛頓之后，英國化學家兼物理學家威廉·海德·沃拉斯頓在1802年研究各種透明物體的折射特性時，發現經過色散后的太陽光譜中存在一些“暗線”（沒有顏色），他當時以為這是不同顏色的分界線，并沒有進一步研究，錯過了開啟一個新學科的機會。15年后，約瑟夫·馮·夫瑯禾費基于衍射光柵發明了光譜儀，并獨立地再次發現了沃拉斯頓觀測到的太陽光譜中的“暗線”。他發現有574條這樣的“暗線”，這就排除了沃拉斯頓關于顏色分界線的猜想。然而，當時夫瑯禾費的興趣不在太陽光譜，所以并沒有關心這些現象背后的理論。他基于光柵光譜儀精確測量了每條“暗線”對應的波長，只是使用它們來標校玻璃的折射率（他是當時世界上最好的玻璃制造商）。待后人搞清楚這些“暗線”的由來后，為了紀念這位“使我們更加接近星星”的人（出自夫瑯禾費的墓志銘：“He brought us closer to the stars”），這些太陽光譜上的暗線被稱為“夫瑯禾費線”。

光譜分析，現代天文學的鑰匙

這些“暗線”的謎底一直到1859年才得以揭開。當時人們已經知道，不同的金屬或金屬的化合物（通常叫金屬鹽）可以改變火焰的顏色，并且已經觀察到鈉、鉀、鋰、銅等金屬鹽的火焰顏色。這種金屬或金屬鹽在無色火焰中灼燒時使火焰呈現特殊顏色的反應叫作焰色反應。1858年前后，德國化學家羅伯特·威廉·本生進行逆向思考：既然不同的物質會產生不同顏色的火焰，那么是否可以用不同的火焰顏色來分析和區分元素呢？于是他發明了可產生無光高溫火焰的“本生燈”，來測試各種金屬和金屬鹽的火焰顏色。但是這種方式測試的火焰顏色分辨誤差大，并且無法測試一些金屬鹽的溶液。后來，他的朋友、德國物理學家古斯塔夫·基爾霍夫建議采用光譜儀來區分元素。

經過大量的實驗，他們證實了每個元素都會產生一組獨特的譜線，即在特定波長的位置表現為特定的亮線或者暗線（取決于照明方式），并且繪制了幾種常見物質的特征譜線?；谶@種方法，他們還發現了兩種新的元素—銣和銫。這兩種元素的英文名稱來自于它們各自譜線的主體顏色：銣（rubidium）來自拉丁文rubidus，意為深紅色；銫（caesium）來自拉丁文caesius，意為天藍色。

基爾霍夫在實驗中發現，當太陽光和鈉元素火焰一起進入光譜儀時，原本出現的明亮發射譜線變成了暗線。于是又使用當時被認為是連續光譜的石灰光進行照明，結果發現光譜中原來的亮線位置依舊變成了暗線。

后來經過一系列驗證之后，他們終于得出結論，原來某些物質本身加熱后的光譜表現為亮線（發射譜線），而這些物質的氣體被連續光譜照明時，則表現為暗線（吸收譜線）。他們進而想到太陽光譜中的夫瑯禾費線，認為它們是由于太陽輻射從內往外傳輸的過程中，被太陽大氣中的鈉元素吸收后導致的（后來研究表明還有一部分暗線是地球大氣中某些元素吸收所致）。結合他們當時正在做的基于光譜分析化學組成的工作，他們立刻想到，可以通過對這些暗線進行研究，來判定太陽的物質組成。要知道這在當時是不可想象的事情，這對于研究遙遠的太陽和星體具有劃時代的意義，也從此開啟了天體光譜學的大門。根據光譜分析法，本生和基爾霍夫先后發現了太陽上有氫、鈉、鐵、鈣、鎳等元素。后來經過多年研究，人們發現太陽的化學成分與地球類似，只是比例不同而已。

說到這里，有個很有趣的插曲，我們知道氦元素又叫太陽元素，它的英文名稱Helium來自于希臘神話中泰坦族的太陽神Helios。那是因為早在1895年，地球上發現氦氣的27年前，法國天文學家皮埃爾·朱爾·塞薩爾·讓森和英國科學家約瑟夫·諾曼·洛克耶就已經獨立地通過觀察太陽光譜發現了這種元素的存在并且進行了命名。順便提一下，在那個學術交流困難的時代，世界上不同的研究人員經常就同一物理現象有各自獨立的發現。鑒于此，洛克耶創建了著名的學術期刊《自然》并擔任首任編輯。

總之，牛頓基于顏色的研究開啟了光譜學的大門，隨后在19世紀初，沃拉斯頓和夫瑯禾費發現了這些連續的太陽光譜中存在一些吸收線；另一方面，化學研究中開始基于焰色反應（不同元素的火焰的顏色）來確定元素，而基爾霍夫終于建立起元素發射線和太陽光譜吸收線之間的關系，最終推開了基于光譜來對天體進行物質分析的大門。

太陽大氣的分層結構與“CT”成像

經過200年的發展，人們終于搞清楚了太陽光譜以及夫瑯禾費線，并且發展出基于光譜分析的天體光譜學，來對浩瀚的宇宙進行精確的觀測。光譜學除了用于鑒定太陽和其他天體的物質組成外，還可以測量太陽的轉動速度（多普勒效應）、溫度、密度乃至進一步反推能量來源及傳遞機制等，如今已經成為我們研究太陽的重要手段之一。

通過光譜分析，我們可以知道太陽大氣的物質組成，要是能夠直接看到太陽表面的圖像豈不是更好？這對于研究太陽能量傳遞和物質演化過程具有不可替代的作用。這就是太陽物理研究的另一個重要的工具—高分辨力成像，而決定分辨率的最主要因素就是望遠鏡的口徑，這也是天文望遠鏡口徑越來越大的原因。

但是光有大口徑的望遠鏡似乎還不夠。我們知道，太陽大氣分為光球層、色球層和日冕層，其中光球層和色球層的厚度就達到2500千米。我們通常觀測到的太陽表面結構，主要來自光球層，如太陽米粒、太陽黑子等。

前面我們介紹過，連續譜的太陽光在由內向外輻射的過程中，穿過太陽大氣時會被某些元素吸收形成夫瑯禾費吸收譜線。于是科學家就想，如果可以研制出透射波長的帶寬非常窄的濾光器，只針對這條譜線進行成像，是不是就可以拍攝出對應元素所在位置的太陽表面圖像了呢？答案是肯定的。但是理解起來似乎有點困難，剛才不是說太陽大氣中的元素把對應波長的光譜都吸收了，怎么還會有圖像呢？為什么這個譜線的圖像就是元素所在位置的圖像呢？為了解釋這個問題，我們來看右圖，圖中我們以太陽大氣中氫元素層的吸收為例來說明問題。雖然太陽輻射是呈360°的發散狀輻射，但是考慮到地球和太陽的距離，地球上只能接收到很小角度過來的太陽光，我們這里假定是只有一個方向的輻射可以到達地球（平行光）。

原本從太陽大氣光球層發射出來很多光子，若是沒有太陽大氣中的吸收層，那么朝向地球的光就會被望遠鏡收集得到光球層的像；但是太陽大氣色球層中有一層氫元素。從光球層發出的光到達氫元素層時，其中656.281nm波長的太陽光就會被氫原子吸收掉，只是吸收了太陽光的氫元素并不穩定，會在很短的時間內再將吸收的光子釋放掉。然而再發射出來的光子方向是隨機的，這就導致經過吸收—發射這一過程后，很多原本朝向地球的光子被改變了傳播方向，沒法進入地球上的望遠鏡。這就是為什么在太陽光譜中，在氫元素譜線對應的波長位置（656.281nm）呈現暗線（注意只是能量相對其他波段有所減弱，并不是完全沒有），而由于這些光子都是從氫原子層發射出來的，如果對這個波段成像，自然可以得到氫元素層的圖像。為此我們通過觀測Hα線（氫元素吸收線，中心波長656. 281nm）波段圖像，就可以得到太陽大氣色球層的圖像。

更進一步研究發現，有一些元素主要分布在太陽大氣的不同高度，并且不同吸收線還能研究特定的太陽物理問題。比如前面說的氫元素吸收線Hα線就位于色球層中部，鈣元素的一條吸收線CaⅡIR線（854.21nm）主要集中在色球層底部，而氦元素吸收線HeⅠ線（1083.0nm）則主要位于色球層頂部。至于鐵元素吸收線FeⅠ線（1565.29nm）則主要集中在光球層。

說到這里，給太陽大氣做“CT”的想法也就不言自明了。若是同時對上述吸收譜線進行高分辨力成像，那就相當于對太陽大氣進行切片掃描，同時得到太陽大氣不同層高的物質結構及形態圖像。

這個想法是有了，但是實現起來還是很有難度，為了精準定位到某一種元素所在的高度，就必須只針對其特征譜線進行成像觀測。也就是說，需要對成像的波長進行極窄帶的濾波，來撇開其他層的太陽光對圖像的影響。要想得到特定層的圖像，用于成像的波長寬度通常在幾十皮米（1皮米=10-12米），相當于頭發絲的百萬分之一的寬度。這就帶來了兩個問題，極窄帶濾光器的研制以及極窄帶成像帶來的能量不足的問題。如果再加上多波段同時成像，這些都是工程實踐中不得不面對的挑戰。好在天道酬勤，經過多年技術積累和科研攻關，中國科學院光電技術研究所太陽高分辨力成像團隊突破多項關鍵技術，成功研制出7波段太陽層析成像系統，其探測波長對應的太陽高度涵蓋光球層、色球層底部、色球層中部和色球層頂部。該團隊今年初又成功研制了國內首套2米級的太陽望遠鏡。最大口徑的太陽望遠鏡配上波段數最多的太陽“CT”成像設備，不得不說，中國的太陽物理未來可期。