太阳观测的新窗口

太阳，对于我们的重要性是不言而喻的。

生活中，我们对它的第一印象大概是它平静地散发着光芒，为我们生存的这个星球带来了无限的温暖。然而，太阳的大气实则非常动荡，地球时刻都面临着太阳风暴所带来的威胁。

太阳风暴起源于太阳大气中的爆发活动，这些活动包括耀斑、暗条爆发以及日冕物质抛射等爆发现象。太阳风暴的来袭，会给地球的空间环境和人类的生存环境带来巨大的麻烦，如GPS导航故障、短波通讯失灵、电力系统瘫痪等等。为了避免生存环境遭受影响，研究和预报太阳的爆发活动成了必不可少的事。

那么，我们要如何追踪太阳活动的爆发呢？在介绍今天的主角之前，我们先来看看“千面”的太阳。

当我们想象太阳时，脑海中总是会浮现出一个淡黄色球体。但实际上，太阳远比这丰富多彩，它会释放出所有波长的光。除了我们肉眼能够看到的可见光之外，太阳还会释放出波长更短的γ-射线、X-射线和紫外线，以及波长更长的红外线和射电波等等。

只是，如果我们想要看到不同面貌的太阳，就需要借助不同波段的望远镜来观测。你知道在不同波段的望远镜“眼里”太阳看起来是什么样子的吗？

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回想一下太阳的结构，太阳大气从内到外（从低到高）可分为光球、色球、过渡区、日冕等层次。不同波段上观测的太阳的层次实际上是不同的，比如可见光观测到的为太阳的光球层，而紫外或极紫外光观测的基本为太阳的高层大气。

由于地球的大气层会吸收特定波长的电磁波，而阻碍这些波段电磁辐射的通过，比如伽马射线、X射线、波长较短的紫外线、中远红外线等，因此要想在这些被大气吸收的电磁波段观测太阳，就需要将望远镜发射到太空去。目前，太阳空间成像观测还存在一些局限，一方面观测波段覆盖还不全，比如极紫外或紫外波段主要集中在94Å（1Å=10⁻¹⁰m）、171Å、193Å、304Å等范围，需要拓展到更多波段；另一方面，缺少可以在同一波段对全日面和日冕同时进行成像观测的空间望远镜。今天要介绍的主角就是为了弥补这些不足。

研制中的“先进天基太阳天文台（ASO-S）”是我国第一颗综合性太阳探测卫星。莱曼阿尔法太阳望远镜（英文名称Lyman-alpha Solar Telescope，简称LST）是ASO-S的三大载荷之一，它的主要任务是在紫外莱曼阿尔法与可见光波段对日面和内日冕进行成像。

首先，让我们来认识莱曼阿尔法（或Lyman-α）波段。

根据巴尔末氢原子谱线经验公式，当m=1时，该公式表示氢原子中的电子从激发态跃迁至基态的谱线，这些谱线统称为莱曼系（如Lyman-α、Lyman-β、Lyman-γ）。

当中性氢原子的电子位于激发态n=2时，其跃迁至基态产生的谱线称为莱曼阿尔法谱线，其理论上的波长为1216Å（如下图）。

简而言之，Lyman-α是一种来自氢的紫外线。而LST望远镜选择的就是在这一波长附近进行观测。

我们为什么要选择Lyman-α波段，而不是其他波段对太阳进行观测？观测发现氢原子的莱曼阿尔法线是日面和日冕上观测到的最强的紫外谱线，它对色球及日冕结构（如耀斑、暗条、日冕物质抛射等）的辐射具有重要的贡献。

目前，也有一些仪器对太阳进行Lyman-α波段的全局流量监测，如PROBA2卫星上的LYRA仪器， GOES卫星上的EUVS仪器等。观测结果告诉我们，在Lyman-α波段，日面上具有非常活跃的活动现象。但是，这些仪器只有全日面积分流量的结果，并没有开展日面和日冕的成像观测，这使得我们无法了解太阳活动在这个波段到底是如何变化的。

LST是专门设计，用来连续监测太阳活动和空间天气驱动的源区域。它是一个仪器套件，包括全日面莱曼阿尔法成像仪（SDI）和莱曼阿尔法和可见光日冕仪（SCI）、全日面白光太阳望远镜（WST）三台观测仪器和两个导行镜（GT1、GT2）。LST的特色是能够同时提供Lyman-α和可见光波段的观测，它将对全日面和1.1到2.5倍太阳半径的内日冕进行成像观测。

LST的主要科学任务在于观测日冕物质抛射、耀斑以及暗条等剧烈的太阳大气爆发活动，并为空间天气预报提供内日冕的观测数据支持。它试图回答的问题包括：

• 太阳耀斑、日冕物质抛射和爆发日珥之间有什么关系？

• 是什么触发了太阳耀斑和日冕物质抛射？它们的参数在爆发过程中是如何演化的？

• 内日冕中的日冕物质抛射的加速机制是什么？它们的动力学行为是什么？

• 白光耀斑的物理性质和过程是什么？

• 日冕物质抛射驱动的激波是如何形成的？它们在太阳高能粒子加速中发挥的作用是什么？

可见光是观测太阳活动的常规窗口，LST则打开了一个新的观测窗口，对2.5个太阳半径内的太阳进行Lyman-α波段的常规监测，将填补国际上对该波段内日冕观测的空白。

太阳以及太阳上的各种爆发活动在LST的“眼中”将会是什么样呢？相信在不久的将来，LST将会揭开更多关于太阳爆发的谜底。