顏色通常是部分波長(cháng)的電磁波（可見(jiàn)光波段）被人類(lèi)視覺(jué)系統感知后的產(chǎn)物。根據波長(cháng)的不同，伽馬射線(xiàn)到無(wú)線(xiàn)電都是電磁波，只是絕大部分都是我們人類(lèi)無(wú)法直接感知的，我們視覺(jué)系統可見(jiàn)的那很小一部分被稱(chēng)為可見(jiàn)光。

 

在牛頓之后，英國化學(xué)家兼物理學(xué)家威廉·海德·沃拉斯頓（William Hyde Wollaston）在1802年研究各種透明物體的折射特性時(shí)，發(fā)現經(jīng)過(guò)色散后的太陽(yáng)光譜中存在一些暗線(xiàn)（沒(méi)有顏色），他當時(shí)以為這是不同顏色的分界線(xiàn)，并沒(méi)有進(jìn)一步研究，錯過(guò)了開(kāi)啟一個(gè)新學(xué)科的機會(huì )。十五年后，約瑟夫·馮·夫瑯禾費（Joseph von Fraunhofer）基于衍射光柵發(fā)明了光譜儀，并獨立地再次發(fā)現了太陽(yáng)光譜中的暗線(xiàn)，他發(fā)現有574條這樣的暗線(xiàn)，這就排除了沃拉斯頓關(guān)于顏色分界線(xiàn)猜想。然而當時(shí)夫瑯禾費的興趣也不在太陽(yáng)光譜，并沒(méi)有關(guān)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(xiàn)對應的波長(cháng)，只是使用它們來(lái)標校玻璃的折射率（他是當時(shí)世界上最好的玻璃制造商）。待后人搞清楚這些暗線(xiàn)的由來(lái)后，為了紀念這位“使我們更加接近星星”的人（夫瑯禾費的墓志銘“He brought us closer to the stars”），這些太陽(yáng)光譜上的暗線(xiàn)被稱(chēng)為“夫瑯禾費線(xiàn)”。

 

夫瑯禾費線(xiàn)（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )）

 

光譜分析，現代天文學(xué)的鑰匙

 

這些暗線(xiàn)的謎底一直到1859年才得以揭開(kāi)。當時(shí)人們已經(jīng)知道，不同的金屬或者金屬化合物（通常叫金屬鹽，比如食鹽是氯化鈉，又叫鈉鹽）可以改變火焰的焰色。并且已經(jīng)觀(guān)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(wú)色火焰中灼燒時(shí)使火焰呈現特殊顏色的反應就叫做焰色反應。1958年前后，德國化學(xué)家羅伯特·威廉·本生（Robert Wilhelm Bunsen）進(jìn)行逆向思考，既然不同的物質(zhì)會(huì )產(chǎn)生不同顏色的火焰，那么是否可以用不同的火焰顏色來(lái)分析和區分元素呢？于是他發(fā)明了沒(méi)有火焰的“本生燈”，來(lái)測試各種金屬和金屬鹽的火焰。但是這種方式顏色分辨誤差大，并且無(wú)法測試一些金屬鹽的溶液。后來(lái)他的朋友，德國物理學(xué)家古斯塔夫·基爾霍夫（Gustav Kirchhoff）建議采用光譜儀來(lái)替代簡(jiǎn)單的顏色來(lái)區分元素。

 

本生和基爾霍夫基使用光譜儀進(jìn)行化學(xué)分析的裝置（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )）

 

經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗數據證實(shí)，他們證實(shí)了每個(gè)元素都會(huì )產(chǎn)生一組獨特的譜線(xiàn)，即在特定波長(cháng)的位置表現為特定的亮線(xiàn)或者暗線(xiàn)（取決于照明方式），并且繪制了幾種常見(jiàn)物質(zhì)的特征譜線(xiàn)?；谶@種方法他們還發(fā)現了兩種新的元素銣和銫。

 

實(shí)驗中基爾霍夫發(fā)現，當太陽(yáng)光和納元素火焰一起進(jìn)入光譜儀時(shí)，原本出現的明亮發(fā)射譜線(xiàn)變成了暗線(xiàn)。于是他又使用當時(shí)被認為是連續光譜的石灰光進(jìn)行照明，依舊發(fā)現光譜中來(lái)的亮線(xiàn)位置變成了暗線(xiàn)。后來(lái)經(jīng)過(guò)一些列驗證之后，他們終于得出結論，原來(lái)某些物質(zhì)本身加熱后的光譜表現為亮線(xiàn)（發(fā)射譜線(xiàn)），而這些物質(zhì)的氣體分子或原子被連續光譜照明時(shí)，則表現為暗線(xiàn)（吸收譜線(xiàn)）。他們進(jìn)而想到太陽(yáng)光譜中的夫瑯和費線(xiàn)，認為因為太陽(yáng)輻射從內往外傳輸的過(guò)程中，被太陽(yáng)表面大氣中的鈉元素吸收后導致的（后來(lái)研究表明還有一部分暗線(xiàn)是地球大氣中某些元素吸收所致）。結合他們手頭的工作，既然光譜可以分析化學(xué)的成分，他們立刻想到，那也可以通過(guò)對這些暗線(xiàn)進(jìn)行研究，來(lái)判定太陽(yáng)的物質(zhì)組成！時(shí)隔一百多年，我似乎還能感受到他們得出這一結論時(shí)的狂喜與興奮。要知道這在當時(shí)是不可想象的事情，這對于研究遙遠的太陽(yáng)和星體具有劃時(shí)代的意義，也從此開(kāi)啟了天體光譜學(xué)領(lǐng)域的大門(mén)。根據光譜分析法，他們先后發(fā)現了太陽(yáng)上還有氫鈉鐵鈣鎳等元素。后來(lái)經(jīng)過(guò)多年后研究，人們發(fā)現，太陽(yáng)的化學(xué)成分與地球類(lèi)似，只是比例不同而已。

 

鈉元素特征譜線(xiàn)，上圖為吸收譜線(xiàn)，下圖為發(fā)射譜線(xiàn)。（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )）

 

說(shuō)到這里，有個(gè)很有趣的插曲，我們知道化學(xué)元素氦元素又叫做太陽(yáng)元素，它的英文名稱(chēng)Helium來(lái)自于希臘神話(huà)中太陽(yáng)神Helios。那是因為早在1895年地球上發(fā)現氦氣的27年前，法國天文學(xué)家皮埃爾·朱爾·塞薩爾·讓森（Pierre Jules César Janssen）和英國科學(xué)家約瑟夫·諾曼·洛克耶（Joseph Norman Lockyer）就已經(jīng)獨立地通過(guò)觀(guān)察太陽(yáng)光譜發(fā)現了這種未知元素的存在并且進(jìn)行了命名。

 

簡(jiǎn)單地梳理一下，牛頓基于顏色的研究開(kāi)啟了光譜學(xué)的大門(mén)。隨后在19世紀初，沃拉斯頓和夫瑯禾費發(fā)現了這些連續的太陽(yáng)光譜中存在一些吸收線(xiàn)。另一方面，化學(xué)研究中開(kāi)始基于焰色反應——不同元素的火焰的顏色——來(lái)確定元素，而物理學(xué)家基爾霍夫終于建立起元素發(fā)射線(xiàn)和太陽(yáng)光譜吸收線(xiàn)之間的關(guān)系，并且最終推開(kāi)了基于光譜來(lái)對天體進(jìn)行物質(zhì)分析的大門(mén)。

 

太陽(yáng)大氣的分層結構與“CT”成像

 

經(jīng)過(guò)兩百年的發(fā)展，人們終于搞清楚了太陽(yáng)光譜以及夫瑯禾費線(xiàn)，并且發(fā)展出基于光譜分析的天體光譜學(xué)，來(lái)對浩瀚的宇宙進(jìn)行精確的觀(guān)測。光譜學(xué)除了用在鑒定太陽(yáng)和其他天體的物質(zhì)組成外，還可以測量天體的轉動(dòng)速度（多普勒效應）、溫度、密度。以及進(jìn)一步反推能量來(lái)源及傳遞機制等等。如今這種技術(shù)已經(jīng)成為我們研究太陽(yáng)的重要手段之一。

 

通過(guò)光譜分析我們可以知道太陽(yáng)大氣的物質(zhì)組成，要是能夠直接看到太陽(yáng)表面的圖像豈不是更好？這對于研究太陽(yáng)能量傳遞和物質(zhì)演化過(guò)程具有不可替代的作用。這就是太陽(yáng)物理研究的另一個(gè)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(lái)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(yáng)大氣分為光球層、色球層和日冕層，其中光球和色球層的厚度就達到2500公里。我們通常觀(guān)測到的太陽(yáng)表面結構，主要來(lái)自光球層，比如太陽(yáng)米粒、太陽(yáng)黑子等等。

 

太陽(yáng)大氣層狀結構

 

前面我們介紹過(guò)，連續譜的太陽(yáng)光在由內向外輻射的過(guò)程中，穿過(guò)太陽(yáng)大氣時(shí)會(huì )被某些元素吸收形成夫瑯禾費吸收譜線(xiàn)。于是科學(xué)家就想，如果可以研制出透射波長(cháng)的帶寬非常窄的濾光器，只針對這條譜線(xiàn)進(jìn)行成像，是不是就可以拍攝出對應元素所在位置的太陽(yáng)表面圖像了呢？答案是肯定的。但是理解起來(lái)似乎有點(diǎn)困難，你不是說(shuō)太陽(yáng)大氣中的元素把對應波長(cháng)的光譜都吸收了嗎？怎么還會(huì )有圖像呢？為什么這個(gè)譜線(xiàn)的圖像就是元素所在位置的圖像呢？為了解釋這個(gè)問(wèn)題，我們來(lái)看下圖，圖中我們以氫元素層的吸收為例來(lái)說(shuō)明問(wèn)題。雖然太陽(yáng)輻射是呈360°的發(fā)散狀輻射，但是考慮到地球和太陽(yáng)的距離，地球上只能接收到很小角度過(guò)來(lái)的太陽(yáng)光，我們這里假定是只有一個(gè)方向的輻射可以到達地球（平行光）。

 

基于太陽(yáng)大氣吸收線(xiàn)分層觀(guān)測的原理

 

原本從太陽(yáng)光球發(fā)射出來(lái)很多光子，若是沒(méi)有太陽(yáng)大氣中的吸收層，那么朝向地球的光就會(huì )被望遠鏡收集得到光球層的像；但是太陽(yáng)大氣色球層中有一層氫元素。從光球層發(fā)出的光到達氫元素層時(shí)，其中656.281nm波長(cháng)的太陽(yáng)光就會(huì )被氫原子吸收掉，只是吸收了太陽(yáng)光的氫元素并不穩定，會(huì )在很短的時(shí)間能再將吸收的光子釋放掉。然而再發(fā)射出來(lái)的光子方向是隨機的，這就導致經(jīng)過(guò)“吸收—發(fā)射”這一過(guò)程后，很多原本朝向地球的光子被改變了傳播方向，從而沒(méi)法進(jìn)入地球上的望遠鏡。這就是為什么在太陽(yáng)光譜中，在氫元素譜線(xiàn)對應的波長(cháng)位置（656.281nm）呈現暗線(xiàn)（注意只是能量相對其他波段有所減弱，并不是完全沒(méi)有）。由于這些光子都是從氫原子層發(fā)射出來(lái)的，如果對這個(gè)波段成像，自然可以得到氫元素層的圖像。為此我們通過(guò)觀(guān)測Ha（氫元素吸收線(xiàn)，中心波長(cháng)656.281nm）波段圖像，就可以得到太陽(yáng)大氣色球層的圖像。

 

更進(jìn)一步研究發(fā)現，一些元素主要分布在太陽(yáng)大氣的不同高度，并且不同吸收線(xiàn)還能研究特定的太陽(yáng)物理問(wèn)題。比如前面說(shuō)的氫元素吸收線(xiàn)Ha 線(xiàn)，就位于色球層中部；鈣元素的一條吸收線(xiàn) Ca II IR線(xiàn)（854.21nm）主要集中在色球層底部；而氦元素吸收線(xiàn)He I 線(xiàn)（1083.0nm）則主要位于色球層頂部；至于鐵元素吸收線(xiàn)Fe I 線(xiàn)（1565.29nm）則主要集中在光球層。

 

說(shuō)到這里，那么給太陽(yáng)大氣照CT的想法也就不言自明了。若是同時(shí)對上述吸收譜線(xiàn)進(jìn)行高分辨成像，那就相當于對太陽(yáng)大氣進(jìn)行切片掃描，同時(shí)得到太陽(yáng)大氣不同層高的物質(zhì)結構及形態(tài)圖像。

 

這個(gè)想法是有了，但是實(shí)現起來(lái)還是很有難度，比如說(shuō)為了精準定位到某一種元素所在高度，就必須只針對他的特征譜線(xiàn)進(jìn)行成像觀(guān)測，也就是說(shuō)，需要對成像的波長(cháng)進(jìn)行極窄帶的濾波，來(lái)撇開(kāi)其他層的太陽(yáng)光對圖像的影響。要想得到特定層的圖像，用于成像的波長(cháng)寬度通常只有幾十個(gè)皮米，也就是頭發(fā)絲的百萬(wàn)分之一的寬度。這就帶來(lái)了兩個(gè)問(wèn)題，極窄帶濾光器的研制以及極窄帶成像帶來(lái)的能量不足的問(wèn)題。如果還要多波段同時(shí)成像，這些都是工程實(shí)踐中不得不面對的挑戰。好在天道酬勤，經(jīng)過(guò)多年技術(shù)積累和科研攻關(guān)，光電所太陽(yáng)團隊突破多項關(guān)鍵技術(shù)，成功研制7波段太陽(yáng)層析成像系統。這是目前世界上波段數最多的多波段層析成像系統，其探測波長(cháng)對應的太陽(yáng)高度涵蓋光球層、色球層底部、色球層中部和色球層頂部，為監測太陽(yáng)活動(dòng)提供技術(shù)支撐。

 

就在剛剛過(guò)去的2019年底，光電所在太陽(yáng)高分辨力觀(guān)測領(lǐng)域再創(chuàng )佳績(jì)，成功研制了中國首套2米級太陽(yáng)望遠鏡。配上通道數最多的太陽(yáng)“CT”設備，不得不說(shuō)，我國的太陽(yáng)物理研究，未來(lái)可期。

 

中國新一代2米級太陽(yáng)望遠鏡——1.8米中國大太陽(yáng)望遠鏡

 

（來(lái)源：中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所）