安裝在中國科學(xué)院云南天文臺麗江高美古觀測站的第一代光纖陣列太陽光學(xué)望遠鏡(FASOT-1, 見圖1) 成功獲得二維空間積分視場內(nèi)各個空間點形成于太陽大氣不同高度的多條磁敏譜線斯托克斯光譜數(shù)據(jù)，迎來其第一縷科學(xué)曙光。
近幾十年來，太陽物理學(xué)研究最前沿和熱門課題是揭示太陽劇烈活動的爆發(fā)機制和對這些活動預(yù)報。要解開活動爆發(fā)的謎團和對這些活動進行可靠的預(yù)報，需要追蹤太陽大氣中可供釋放的自由磁能從大氣底層的光球經(jīng)其上的色球和過渡區(qū)直到日冕的集聚和輸運過程。
FASOT致力于同時獲得太陽大氣二維觀測區(qū)域積分（連續(xù)）視場內(nèi)所有空間點產(chǎn)生的在一定波段范圍內(nèi)斯托克斯（輻射強度及其包含的偏振輻射強度，通常用I,Q,U,V表示）光譜。在這一波段范圍內(nèi)需要有多條形成于不同太陽大氣層次的磁敏（對磁場敏感，其朗德因子g較大）譜線，它們成為探測磁場的載體，并且FASOT-1可以通過轉(zhuǎn)動光柵和替換前置濾光片來對用戶感興趣的觀測波段進行選擇。通過對這些斯托克斯光譜進行可靠的理論分析能使研究者同時獲得二維視場內(nèi)太陽大氣不同高度層次的磁場、熱力學(xué)和動力學(xué)精確信息。目前國際上還沒有一臺常規(guī)觀測太陽光學(xué)望遠鏡具備了這樣的功能。
FASOT儀器結(jié)構(gòu)的最大特征為一對積分視場單元（IFU，圖1中標注處為一對IFU頭和延伸出的光纖束），類似于自然界蜻蜓等昆蟲的一對復(fù)眼。然而，這對IFU不像昆蟲復(fù)眼那樣用于導(dǎo)航，而是用來實現(xiàn)高靈敏度偏振測量，從而達到高靈敏度測量太陽大氣中磁場的目的。除了望遠鏡科學(xué)儀器結(jié)構(gòu)的新穎性（成對的IFU）以及以上所述功能的獨特性，基于J.F. Donati等人首先提出的偏振光學(xué)開關(guān)（POS），屈中權(quán)等人發(fā)明的能更有效提高偏振測量靈敏度和時間分辨率的約化偏振光學(xué)開關(guān)（RPOS）技術(shù)已經(jīng)成功運用于FASOT-1雙光束（由雙IFU傳輸）偏振解調(diào)中（在此之前，F(xiàn)ASOT原理樣機運用這樣的技術(shù)對2013年11月非洲加蓬日全食觀測科學(xué)資料分析已經(jīng)取得了科學(xué)成果）。國際著名太陽物理學(xué)家J.O.Stenflo教授曾經(jīng)預(yù)測，F(xiàn)ASOT可能會打開新的一類太陽科學(xué)觀測儀器的大門，而中國科學(xué)院云南天文臺FASOT團組現(xiàn)在正緩慢而艱難地將此預(yù)測變?yōu)楝F(xiàn)實。
FASOT-1的一對扇形IFU產(chǎn)生1240多條光纖光譜，擁有620多個空間采樣點，25條直線串聯(lián)多個光纖的相接的“狹縫”。這一對IFU由哈爾濱工程大學(xué)和中國科學(xué)院云南天文臺聯(lián)合研制（國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院天文聯(lián)合重點基金項目）。圖2展示了采集到的部分原始光纖光譜。在左右每一條譜帶中，豎直分布最黑（在太陽大氣中吸收最強）的三條譜線為中性鎂Mg I三線：b1: 518.4nm; b2: 517.3nm; b4: 516.7nm）。
圖3展示出2022年4月22日FASOT-1對太陽表面一個編號為NOAA 12994活動區(qū)的局部觀測，在數(shù)據(jù)處理后解調(diào)出的斯托克斯光譜局部樣本（圖中只顯示了IFU前端25個相接“狹縫”中的5個相鄰“狹縫”）。橫向為色散（波長）方向，豎直方向為對IFU二維前端重新編織排列的空間點分布方向。其中輻射強度I光譜圖像（上圖）為視場內(nèi)空間點的輻射經(jīng)過色散后在各個波長采樣點強度分布，而V/I光譜圖（下圖）則給出了對應(yīng)的歸一化圓偏振信號?？梢钥闯觯词乖谏蛑懈邔哟髿庵行纬傻囊淮坞婋x鈦線（Ti II 515.4nm）處也探測到圓偏振信號。由此表明，F(xiàn)ASOT-1具備了從光球?qū)?、色球中低層到中高層同時探測磁場等物理量的硬件基礎(chǔ)。
圖4給出了在不同空間點抽取出來的三條形成于不同大氣高度譜線斯托克斯光譜輪廓。從圖中可以看出，我們關(guān)注的形成于太陽光球的中性鐵線Fe I 519.1nm等多條譜線的歸一化圓偏振V/I光譜的信噪最強，形成于太陽色球中低層的中性鎂三線 (以Mg I 517.3nm為例) 信噪比次之，而形成于更高層的Ti II 515.4nm歸一化圓偏振信號較弱。這是由于在磁場存在的區(qū)域，在太陽大氣中由熱壓力和磁壓力組成的壓力平衡作用下，磁場向高層大氣擴散導(dǎo)致的磁場強度變?nèi)酰ǚQ為傘蓋效應(yīng)），從而其產(chǎn)生的偏振信號也隨著變?nèi)醯慕Y(jié)果。在圖4中的第二排和第三排還展示了電離鈦線Ti II 515.4nm，中性鎂Mg I 517.3nm, 以及中性鐵線 Fe I 519.1nm的歸一化線偏振光譜(Q/I和U/I)的輪廓。讀者可能注意到了在中性鎂線Mg I 517.3nm的紅藍線翼各有一條其它磁敏譜線。由于目前偏振測量靈敏度還未達到預(yù)定目標，線偏振光譜只是在二維積分視場少數(shù)空間采樣點才能探測到。
綜上所述，F(xiàn)ASOT-1已經(jīng)實現(xiàn)了從光球、中低層色球到中高層色球探測磁場以及其他物理學(xué)量的初步觀測目標。FASOT團組將在南方雨季期間對FASOT-1進行必要的升級改造和系統(tǒng)完善，進一步提高其偏振測量靈敏度，從目前的10-3提升到10-4量級。
FASOT-1得到國家自然科學(xué)基金重大科研儀器研制項目（自由申請）、國家自然科學(xué)基金委員會和中國科學(xué)院天文聯(lián)合基金重點項目以及中國科學(xué)院院級科研儀器設(shè)備項目（青年）支持。
圖1 安裝在中國科學(xué)院云南天文臺麗江高美谷觀測站的FASOT-1。詳情如下:左圖：觀測圓頂;中圖：位于觀測圓頂內(nèi)一樓的FASOT-1引導(dǎo)光學(xué)及部分科學(xué)分析儀器。積分視場光譜儀通過光纖束（共四個子束在IFU后端形成四個子狹縫）與這部分進行光學(xué)鏈接;右圖：位于觀測圓頂內(nèi)底層可容納多條狹縫同時色散的積分視場光譜儀（外部人工光源照亮后拍攝，中國科學(xué)院院級科研儀器設(shè)備研制項目）
圖2 FASOT-1采集處于一個偏振調(diào)制態(tài)的原始光譜圖像（局部）。左右兩片光譜帶由兩條狹縫在一臺積分視場光譜儀同時色散產(chǎn)生。橫向每一條短亮帶為一條光纖產(chǎn)生的光譜。左右譜帶中黑色最粗斜線為中性鎂Mg I b三線，人工畫出的紅線標注了目前使用的波段（513nm -520nm）。在黑子（光譜帶中橫向較黑）區(qū)域，磁場對磁敏譜線的加寬效應(yīng)明顯可見
圖3 同時獲得的二維積分視場中對應(yīng)太陽觀測表面時相接的5條“狹縫”解調(diào)后的斯托克斯光譜。上：輻射強度I光譜。下：歸一化圓偏振V/I光譜。容易看出，F(xiàn)ASOT-1既探測到了形成于光球?qū)拥腇eI519.1nm (g=2.0) 強圓偏振信號和低色球?qū)拥腗g I b三線（g=1.25～2.0）中等強度的圓偏振信號，也獲得了形成于色球中高層的電離鈦線Ti II 515.4nm（g=1.50）較弱的圓偏振信號
圖4 從不同空間點抽取的歸一化斯托克斯I/Ic, Q/I, U/I和V/I光譜輪廓。在每一個縱列圖組中，分別展示了Ti II 515.4nm, MgI 517.3nm, 以及FeI 519.1nm譜線相應(yīng)斯托克斯輪廓
標簽： 光學(xué)望遠鏡 FASOT-1
