太阳高分辨率观测的重要意义 The importance of high-resolution solar observations

方 成南京大学天文系

Department of AstronomyNanjing University

2010.8.11

Contents

Space observations in abroad Ground-based observations in abroad The importance of high-resolution solar

observations Existent and future telescopes in China Future prospect of solar physics study in

China

2010.8.11

Solar activities: Flares and CMEs

TRACE 观测的耀斑SOHO 观测的日冕物质抛射

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Space observations in abroad

Hinode (2006.9.22) SDO (2010.2.11--) STEREO (2006.10.25) SOHO (1995.12--) TRACE (1998.4 --) RHESSI (2002.2 --) Solar Orbiter (2017 ?) Solar Sentinels (2018 ?)

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Main scientific objects of Hinode （日出）

元磁流管的连续高分辨率观测 磁流浮现、黑子形成及日震观测 探测 MHD 波 光球色球的磁重联 纳耀斑 (Pico-flares) 及元磁场

的跟踪 (Parker concept) 热环和冷环的磁特性

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Three high-performance telescopes

EUV 成像分光计 (EIS)诊断日冕热特性和动力学

50cm 太阳光学望远镜 (SOT)

光球磁场和速度场 的高分辨率观测

X 射线 望远镜 (XRT)

日冕 X 射线、 EUV

高分辨率成像

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SOT Broadband Filtergraph

Dt : 2s

wavelengths 388.3 CN molecular bandhead: chrom. network 396.8 Ca II H-line: magnetic elements in low chrom 430.5 G-band CH bandhead: magnetic elements 450.5/555.0/668.4 continuum.

FOV / pix scale 218 × 109 / 0.054 arcsec

Narrowband filtergraph Dt : 3s~30s

wavelengths FeI 525.0 Photospheric magnetograms Mg Ib 517.3 Low chromosphere mag./dopplergrams Fe I 557.6 Photospheric dopplergrams Na D 589.6 Chromospheric magnetic fields Fe I 630.2 Photospheric magnetograms H I 656.3 H-alpha chromospheric image and Dopp

FOV / pix scale 328 × 164 / 0.08 arcsec

Polarization IQUV, ~0.5% accuracy

Spectro Polarimeter Dt : 3s~1hr

wavelengths 630.2 nm (high precision vector mag. Fields)

FOV / pix scale 164 x 324 (full scan) / 0.16 arcsec

Polarization IQUV full profile, 0.1% accuracy

Correlation tracker, 580Hz

wavelengths 629-634 nm

FOV 11 × 11 arcsec

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Some observations

Fine structure of magnetic field

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Activities in the photosphere and the chromosphere

Prominence Small scale activities

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Fine structures in and around sunspots

黑子与米粒活动2010.8.11

SDO (Solar Dynamical Observatory) 2010.2.11 发射，预期寿命 5 年

Main scientific objects

3 维日冕动力学结构 高精度向量磁场和速

度场 高能粒子辐射和源区 各种波的研究 太阳辐射测量

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Payloads on SDO

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AIA 观测的 波长范围

ChannelVisible1700Å

304Å

1600Å

171Å

193Å

211Å

335Å

94Å

131Å

††

--

12.7

-4.7

6.0

7.0

16.5

0.9

4.4

Ion(s)ContinuumContinuum

He II

C IV+cont.

Fe IX

Fe XII, XXIV

Fe XIV

Fe XVI

Fe XVIII

Fe XX, XXIII

Region of Atmosphere*PhotosphereTemperature minimum, photosphere

Chromosphere, transition region,

Transition region + upper photosphere

Quiet corona, upper transition region

Corona and hot flare plasma

Active-region corona

Active-region corona

Flaring regions

Flaring regions

Char. log(T)3.73.7

4.7

5.0

5.8

6.1, 7.3

6.3

6.4

6.8

7.0, 7.2

AIA wavelength bands

*Absorption allows imaging of chromospheric material within the corona; ††FWHM, in Å

Fe XVIII94 Å

Fe XX/XXIII133 Å

1600Å? Fe IX/X 171 Å

Fe XII 195 Å

Fe XIV 211 Å

C IV 1550 Å He II 304 Å

Fe XVI 335 Å

AIA Telescope Assembly = Science

Telescope + GT + CEB

Science Telescope

GT

视场： 41’ – 46’, 4K х 4K CCD, 正入射多层膜，分辨率 : 1.2”

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Varieties of solar activities

SDO 新观测结果

Solar active regions in different temratures

Mar. 30, 2010 filament eruption

分辨率 : 1.0”

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Solar Orbiter (2017 ?) ESA, 1300公斤， 0.23 AU

实地测量带电粒子、中性粒子、磁场和尘埃粒子等

遥感测量高分辨全日面和局部太阳紫外和可见光像、测量局部磁场。包括日冕仪、极紫外成像望远镜、极紫外分光计、X 射线成像望远镜、磁象仪、辐射计等

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Solar Orbiter 太阳大气观测仪器 Solar Orbiter Coronagraph Department of the Navy Naval

Research Laboratory R. Howard USA Extreme Ultraviolet Imagers Royal Observatory of Belgium

Dr. JM. DefiseB, F, D, UK, Extreme Ultra-Violet Imager EUV Naval Research LaboratoryDr. J. Newmark USA

Extreme Ultraviolet Spectrometer Rutherford Appleton Laboratory Prof. R. Harrison, UK, D, I, N, USA, F, CZ Spectral Imaging of the Coronal Environment SPICEGSFC Dr. J.M. DavilaUSA, UK

Radiometers Royal Meteorological Institute of Belgium Dr. Ir. S. DewitteB Solar Irradiance Monitor 3D World Radiation Center H. Roth CH, D

Space Weather Imaging Sentinel Southwest Research Institute Dr. D.M. Hassler USA

Visible Imager and Magnetograph Max Planck Institute for Solar System Research Dr. J. Woch D, E, F, USA, S, CH, NL , Dual-Height Vector Magnetograph and Dopplergraph Marshall Space Flight Center Dr. J. Davis USA

X-ray Imaging Spectrometer Institute of Astronomy Dr. G. Hurford CH, CZ, IR, F, UK, GR, A, D, USA, Japan

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Solar Sentinels NASA, 2018 ?, 3-5 years

Scientific objects:

了解高能粒子的加速和传输；

了 解 CME 和 行 星 际 激波的初发和演化。

共 6 个卫星： 4 个在0.25AU ， 1 个在地球附近， 1 个在地球后方 2010.8.

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Ground-based observations in abroad

瑞典 1 米真空太阳望远镜 大熊湖 1.6米太阳望远镜 VTT(德国 ) ， 1 米太阳塔 THEMIS(法 - 意 ) ， 90cm口径 德国 GREGOR 1.5米望远镜 美国国立天文台 4 米太阳望远镜

(ATST) 欧州太阳望远镜（ EST ）

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瑞典 1 米真空太阳望远镜 (SST)

2002.5 First light 自适应光学 很少而高质量的镜面 ~0.1 角秒的太阳像 分光偏振计 (2006.4) 双 Fabry-perot 滤光器

系统及成像偏振计， 70”×70”,

0.07”/pixel, 520-862nm.

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BBSO 1.6m telescope

ATST 之前世界最大太阳望远镜

Off–axis 望远镜 BBSO 视宁度

R0>7cm ，这是自适应光学所必需的

2009 first light

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采用自适应光学 目前 AO-96, 新建 : AO-349

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BBSO

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Other big telescopes

THEMIS, 90cm

VTT, 70cm, Tenerife

NSO, 1m, Sunspot

还有一些新的射电望远镜2010.8.11

德国 GREGOR telescope (1.5m) ( 地平式，自适应光学 )

At Teide Observatory, Tenerife 2010.8.

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GREGOR scientific objects and instruments

Scientific Objects: 磁通量的浮现、演化和消失 黑子的能量平衡 色球精细结构和加热

Main instruments: Fabry-Perot 分光计 偏振光谱仪 红外光谱仪 ( 计划 )

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Advanced Technology Solar Telescope - ATST European Solar Telescope - EST

口径 4 米 观测波长 0.3-35µm 分辨率∽ 0.03’’ @ 5,000

Å 视场 3-5角分 偏振测量精度 5×10-4

ATST:建在夏威夷 EST:建在 La Palma

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ATST - First light in 2015

EST - First light In 2020

Advantages and disadvantages of ground-based observations

Advantages ： 高的时间分辨率 (0.01 sec) 高的光谱分辨率 (≧ 200,000) 高的空间分辨率 (0.1” – 70km @

5000Å) 易维修和更新 低成本 Disadvantages ： 受大气和天气的影响 只能白天观测

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Why we need high-resolution(spatial and temporal) observations

光球中光子平均自由程和压力标高 0.1’’ = 70 km

磁对流与大气动力学耦合 磁流管是磁大气的基本构件

磁流管与冕环的关系

很小尺度下的物理过程 (5 – 20 km)

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Resolution of the telescopes

Swedish Solar Telescope image of

sunspot

TRACE-resolution image of sunspot

SoHO-resolution image of sunspot

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Why we need high-resolution observations?

研究元磁流管 , 纳耀斑 研究耀斑和 CME 研究暗条形成和结构 研究黑子的形成及能量平衡（精细结构、本影点） 研究色球精细结构和加热（针状物、微耀斑等） 研究光球宁静区 研究高能粒子辐射和源区 研究各种波的形成和传播

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To study magnetic elements, nano-flares: corona heating, the origin of MF etc.

Hinode CaII 3968A 图像，从针状物检测色球 Alfven 波，足可引发太阳风 (Pontieu et al. 2007)

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沿切线2 的空间 - 时间图

Monte-Carlo 模拟结果

沿切线1 的空间 - 时间图

To study flares and CMEs:WLFs, current sheets, magnetic reconnection etc.

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White-light flare at 1.56 μ Xu et al. (2004)

Lin et al. (2005)

Approach of flare Hαtwo-ribbons Ji et al. (2004, 2006)

时间分辨率 40幅 / 秒 两个耀斑双带核块在脉冲相 时先靠近，后再分离

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To study the formation and the structures of filaments

SST 观测到的暗条2010.8.11

Aulanier et al. 1998

暗条足点？

To study the formation and the structures of filaments

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From Hinode

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To study the formation and the energy balance of sunspots

Hinode

To study the formation and the energy balance of sunspots

Hinode (Camag 2006.11.13)

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SST

Blue ContinuuumResolution≈ 80km

Jess et al., ApJL, 2008

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To study the fine structures and the heating of the chromosphere （ Including spicula 、 microflares etc. ）

(Langangen et al., 2007)

SST: (a) G-band 像 , (b) 3968Å

像 ,

(c) 6302Å 磁图 , (d) 6768AÅ 速

度场

(Berger et al.m 2004)

SST: 6563A, 8662A, Slit-jaw images 研究运动的纤维结构

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To study small scale activities

在 Ca II H 像中发现许多 jets (Shibata et al. 2007, Science 318, 1591)

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2006 Dec 17 CaII Hbroad band filter images

Various Ca jets

宽 度 ~ 100 - 300 km

长度 ~ 500 - 2000 km

速度 ~ 5 – 20 km/s

寿命 ~ 100 – 200 sec

Ellerman Bombs and Microflares

EB at H α (1.3Å) and 1600Å (Qiu et al., 2000)

Locations for two MFs (No.1-2) on the 2D images at the Hαcenter at 08:12 UT The contour levels of the longitudinal magnetic field are - 800, -300, -50, -5, 4, 40, 200, 500 G. The green and purple lines correspond negative and positive polarity, respectively. 2010.8.

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To study the quiet regions of the photosphere （对流、米粒、米粒间等）

2006.11.2 Hinode

G band (4305 埃 )CaI

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To study the quiet regions of the

photosphere (SST)

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To study the emission and the origin of high energy particles

黑点为起点，颜色由深到浅代表 UV 点的运动 Fletcher et al. 2004

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To study the emission and the origin of high energy particles

(Temmer et al. 2007) Trace 1700A bright points

HXR 点源运动，从红到紫

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To study the formation and propagation of waves

Doorrsselaer et al. 2007 : 冕环的震荡

Hinode/EIS 195

Å

振幅： 1 km/s

周期： 296 s

局地磁场： 39±8G

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To study the formation and propagation of waves

由 Hinode/SOT 资料求色球强度起伏谱，表明5-40mHz 波动能量不能够解释色球加热 (Carlsson et al. 2007)

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Existent telescopes

太阳磁场望远镜 全日面磁场望远镜

快速太阳射电频谱仪

南京大学太阳塔

多通道近红外光谱仪 (PMO)

精细结构望远镜 (PMO, YAO)

全日面 Hα 监视仪 (YAO)

Stokes 光谱仪 (YAO)

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怀柔全日面磁图

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Some observation data

南京大学二维成像光谱

紫台10830埃二维耀斑光谱资料

高光谱分辨率的二维耀斑光谱资料

国台射电频谱仪 斑马纹结构

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Telescopes under construction

Space ： SST, 夸父 (Quafu)

Ground ： 1 米光学 / 红外太阳塔（高分辨局部，云台）

ONSET（高分辨全日面，南大，云台） 射电日象仪（高分辨射电，国台）

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Space Solar Telescope (SST)

1m 光学望远镜 (MOT) : 0.1” , 2.8'×1.5', 8 channels Stokes parameters ~ 2×10 -4

极紫外和软 X 线望远镜 (EUXT) :

0.8 , 8.5'×8.5' , 4 channels H 和白光望远镜 (HWT):

1 , 0.7°× 0.7° 硬 X 射线成像望远镜 (HXI) 白光日冕仪 (SOC) 太阳和行星际射电频谱仪 (SIR):

2-50 MHZ

Main Payloads EUXT

MOT

HWT

SIR

HXI

SOC

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夸父 (Quafu) 卫星

EUV/FUV 望远镜 日冕动力学成像仪 ( 白光和 Lyman-α) 射电和波测量仪 太阳风仪器包 硬 X 和 Gamma 射线分光

计

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1m 真空太阳塔

建在距昆明 60 公里的抚仙湖旁高度 : 1722 m ，抚仙湖平均水深87 米

1m Solar Telescope ONSET2010.8.11

Scientific objects of 1m solar telescope

在亚角秒空间分辨率和高时间分辨率下，通过（斯托克斯）光谱分析对光球和色球中矢量磁场 (5G)、热力学参量场和 Doppler速度场 (0.1km/s)的空间三维分布的精确测量，研究这些物理量场的耦合与发生在太阳内部和日冕的动力学过程的关系。

高分辨率的局部磁场观测（偏振测量精度好于 510-4）； 高分辨率的局部光谱观测（高速扫描 0.05秒 / 狭缝 - 普

通光谱测量， 0.1秒 / 狭缝 -Stokes光谱测量）； 高分辨率的局部成像观测。

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Optical and Near-infrared Solar Eruption Tracer (ONSET)

将安置在全国最好的太阳观测地 - 昆明附近的抚仙湖畔口径 27-20 厘米同时观测得到 Hα 、白光和10830埃高辨率全日面和局部太阳像

2010年建成2010.8.11

Observation data

10830A image

Hα image

WL image

数据量 40 Gb/天

( 每分钟三张像 )2010.8.11

Scientific objects of ONSET

耀斑能量传输和动力学过程。 H 和 10830埃耀斑演化， 能量从日冕往下和从色

球往上的传输，高能粒子诊断等； 日冕物质抛射 (CME)源区特征及演化。 CME

的源区特征和触发， He 波 / 亮度 , Moreton 波 , 暗条爆发 , CME的特性等；

发现一批白光耀斑，在白光耀斑的研究中取得创新的重要成果。

其他，如：冕洞的分布和规律， 10830像“暗点”的特征和规律， 暗条振荡和日冕磁场诊断等。

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中国射电日像仪 (CSRH) 位置 : 内蒙古正镶白旗，距北京 400 公里 ,10 月 9日奠基

Range: ~0.4–15 GHz （： ~75 –2 cm ）Frequency Res.: 64 or 128 chan （ 0.4-2 GHz ） 32 or 64 chan （ 2-15 GHz ）

Spatial Res.: 1.3”– 50”Temporal Res.: ~<100 ms （ 0.4-15 GHz) Dynamic Range: 30db （ snapshot ）Array: (404.5m + 60x2m) parabolic antennas Lmax 3 kmField of view 0.5– 7

天线阵

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Summary高空间和高时间分辨率的观测是追求的目标

国际上将有众多的大型新望远镜 ( 空间和地面 ) 投入观测。 两类望远镜：太阳局部的高空间分辨率观测，主要研究中、小尺度精细结构；全日面高时间分辨率观测，主要研究中、大尺度结构（对空间天气学研究很有用）。

卫星观测项目众多：从光球到日冕，从太阳到行星际，具有成像和分光仪器。

地面观测项目特点是：建在最好的台址；采用自适应光学和主动光学技术；覆盖很宽的波长范围；多数望远镜都配备了偏振测量设备。

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Future prospect of the solar physics study in China

对于我们这个处于发展中的国家来 说，也许会是投入产出比高的策略。

必须加快发展新技术、新方法 如自适应光学、红外技术、空间技术等发展有特色的大型观测设备 积极参与及使用国际上大型设备努力创立有特色的理论模型、加强 数值模拟研究 无论 1 维 2 维还是 3 维，重要的是新想法

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