[科普中國]-日冕儀

儀器用途

天文學(xué)家們在對比每次所拍的日全食照片時(shí)，發(fā)現(xiàn)每一次日全食時(shí)，日冕的形狀都有變化。當(dāng)太陽上黑子少的時(shí)候，日冕在太陽赤道附近伸得很長，在兩極處，日冕則像濃濃的毛筆尖，因此整個(gè)日冕就變得像只蝴蝶。當(dāng)太陽上黑子很多的時(shí)候，日冕就變得很大，像個(gè)寬大而光彩奪目的光圈，從四周圍繞著太陽。此外，天文學(xué)家還確定了在從月球后露出艷紅色突出物——日珥的地方，日冕的光射得最遠(yuǎn)。要研究日冕是如何隨太陽上發(fā)生的現(xiàn)象而變化的，就必須對日冕進(jìn)行長時(shí)間的觀測，但是人的一生中只會(huì)遇到十幾次的日全食，而每次日全食的時(shí)間只持續(xù)二三分鐘，對于科學(xué)家來說觀測的時(shí)間太短了。

在1930年，法國天文學(xué)家李?yuàn)W發(fā)明了日冕儀(B.Lyot)，這個(gè)儀器使人們在陽光普照時(shí)也能對日冕產(chǎn)生的光線進(jìn)行觀測。2

工作原理日冕儀的設(shè)計(jì)原理是制造人造日食，并盡可能的消除儀器的散射光。為了消除散射光，應(yīng)盡量減小透鏡的厚度和玻璃與空氣交界面的數(shù)目，故物鏡O1采用單塊薄透鏡，并在照相鏡C后安置窄帶濾光片F(xiàn)來消除O1的色差。光闌S2的口徑略小于光闌S1，可擋去S1邊緣的衍射與雜散光。光軸上的小擋塊S3，可擋住光路中所成的假日面像。鏡筒內(nèi)涂有無光澤的黑色涂料。在地面上，地球大氣的散射光亮于日冕，因此日冕儀一般安置在空氣稀薄的高山上。3

儀器設(shè)計(jì)要點(diǎn)日冕儀使人們在日全食以外的時(shí)間就能觀測日冕。它是利用人為的日食來做觀測的。原理很簡單，在望遠(yuǎn)鏡的主焦點(diǎn)放置一個(gè)遮擋盤，它在遮蔽光球像的同時(shí)允許日冕的像通過。然而實(shí)際上要復(fù)雜得多，因?yàn)樵趦x器中有散射光和(或)衍射光等，而且地球大氣仍會(huì)比日冕亮幾個(gè)數(shù)量級，所以為了使這些無關(guān)的光降到最小，就要在儀器設(shè)計(jì)中和操作中采取特別的防范措施。4

物鏡的結(jié)構(gòu)防范措施中最關(guān)鍵的是要針對物鏡的結(jié)構(gòu)。為了減少儀器內(nèi)所包含的表面?zhèn)€數(shù)，采用單透鏡物鏡并且盡可能使玻璃毛坯沒有氣泡、紋理和其他缺陷。仔細(xì)拋光透鏡表面，以便消除所有的劃痕和表面其他斑紋。在使用中若不操作必須密封起來防塵；也可以在物鏡前附加一個(gè)很長的涂過油的筒，作為防塵罩。

遮擋盤遮擋盤是一個(gè)拋光的金屬錐體或者是一個(gè)傾斜的反射鏡，來自光球的輻射可以被它安全反射到單獨(dú)的光熱窗。在遮擋盤之后用法布里透鏡對物鏡成像，可以消除物鏡邊緣的衍射，再用一個(gè)比物鏡的像稍小的光闌消除邊緣效應(yīng)。另外可把物鏡分成許多部分，使其透明度由中心到邊緣按高斯方式減小。雖然會(huì)損失一部分分辨率，但是卻完全抑制了衍射暈。最終成像物鏡前的第二個(gè)遮擋盤是用來消除第一物鏡之后的多重反射效應(yīng)。最終的日冕像由安裝在衍射光闌后的第二物鏡產(chǎn)生。

觀測位置大氣散射只能通過選擇適當(dāng)?shù)挠^測站來減小。因此，早期的日冕儀是建在高海拔處的天文臺(tái)上，而最近它們已被安裝在太空船上以便徹底消除地球大氣的影響。

用單透鏡，結(jié)果使主焦點(diǎn)上的像有色差，因此通常必須在系統(tǒng)中附加濾光片。這在任何情況下都是必要的，因?yàn)槿彰峁庾V就是疊加在被減弱的太陽光球光譜上的大量發(fā)射線。因此選擇一個(gè)中心波長在一條日冕強(qiáng)發(fā)射線上的窄帶濾光片，可相當(dāng)好地改善最終像的反差。使用地面儀器觀測，只可能偶然對日冕的白光或?qū)挷◣С上?，而且只有在最佳觀測條件下才可以嘗試。所以用衛(wèi)星搭載觀測儀器會(huì)更加普遍。

儀器改進(jìn)已經(jīng)證明氣球或衛(wèi)星搭載儀器可以改進(jìn)基本日冕儀，這首先是由于高空的背景光比起正常條件下儀器中的散射光要弱，另外改進(jìn)可取兩種不同的形式。

第一，可以用一個(gè)反射物鏡，它由未鍍膜的偏軸拋物面構(gòu)成。大部分光通過物鏡被吸收。這時(shí)玻璃中的氣泡和斑痕就不重要了，因?yàn)樗鼈冎饕谙蚯暗姆较蛏弦鹕⑸?。鏡子不鍍膜是因?yàn)榻饘馘兡な植灰?guī)則，會(huì)引起相當(dāng)嚴(yán)重的散射。

改進(jìn)日冕儀的第二種方法與前相當(dāng)不同，它是在儀器外邊直接產(chǎn)生“人為的”日食，而不是在主焦點(diǎn)上。遮擋盤放在原本相當(dāng)普通的日冕儀的第一物鏡之前適當(dāng)?shù)奈恢蒙希疫€必須足夠大以確保第一物鏡完全在該盤的本影之內(nèi)。所以，日冕(像)的內(nèi)部將受到漸暈的嚴(yán)重影響，然而這并不重要，因?yàn)樗侨彰嶂凶盍恋牟糠?；甚至它可能還是優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗鼘p小探測器所必須覆蓋的動(dòng)態(tài)范圍。由于衍射，一只單盤會(huì)產(chǎn)生帶有中心亮斑的像，但是利用尖齒狀的曲折邊緣，或者用多重遮擋盤就可以消除這種現(xiàn)象。用這些方法可以使儀器的散射光減小到基本日冕儀的10-4。4

最終成像方式日冕儀生成的最終像可以直接拍照，但是更常見的是送入光譜儀、光度計(jì)或其他的輔助儀器。在地球上通常只可以測到光球之外大約1倍太陽半徑的日冕，但衛(wèi)星搭載的日冕儀已成功地測到光球之外6倍太陽半徑或更大些的日冕。4