Die Entwicklung der Koronabeobachtung: Es gibt zu wenige Sonnenfinsternisse, also haben wir eine gebaut

„Die untergehende Sonne ist wie eine Mondsichel, und die Reichshauptstadt erscheint nur einmal in hundert Jahren.“

Eine Sonnenfinsternis ist ein relativ seltenes astronomisches Phänomen, und eine totale Sonnenfinsternis ist noch seltener. Als vollkommenstes Phänomen unter den Sonnenfinsternissen ist jede totale Sonnenfinsternis ein „astronomisches Fest“ und wird von Astronomen auf der ganzen Welt als eine gute Gelegenheit betrachtet, viele Rätsel auf dem Gebiet der Sonnenphysik zu lösen.

Abbildung 1. Die Struktur der grünen und roten Linien der Korona, beobachtet während einer totalen Sonnenfinsternis (Hubbal et al. 2011)

Angesichts der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie ist die seltene Beobachtung einer totalen Sonnenfinsternis heute möglicherweise keine „seltene“ Sache mehr.

Totale Sonnenfinsternis, ein Fest für Astronomen

Eine totale Sonnenfinsternis ist ein astronomisches Phänomen, bei dem das Sonnenlicht an einem bestimmten Ort auf der Erde vollständig durch den Mond blockiert wird.

Bei einer totalen Sonnenfinsternis sind es die „Baily’s Pearls“, die als leuchtendstes Objekt ins Auge fallen. Tatsächlich handelt es sich hierbei um das Sonnenlicht, das durch die wellenförmigen Täler am Rand des Mondes fällt.

Abbildung 2. Baily-Perlen-Phänomen während einer totalen Sonnenfinsternis (Bildquelle: Veer Gallery)

Das Wichtigste, was man während einer totalen Sonnenfinsternis beobachten muss, ist jedoch die Korona, da ihre Aktivitäten erhebliche Auswirkungen auf die Erde haben und ihre Untersuchung die einzige Möglichkeit ist, die wichtigsten ungelösten Rätsel der Sonnenphysik zu lösen.

Also, was ist Corona?

Abbildung 3. Solarstruktur (Quelle: Wikipedia)

Was wir mit bloßem Auge sehen können, ist die Photosphäre, während die Korona die äußerste Schicht der Sonnenatmosphäre ist, die oberhalb der Chromosphäre beginnt und sich nach außen in den interplanetaren Raum erstreckt und einen kontinuierlichen Strom von Sonnenwind nach außen bildet.

Wie das Sprichwort sagt: „Der Laie sieht die Aufregung, der Experte sieht die Details.“ Wenn eine totale Sonnenfinsternis stattfindet, ist das für Astronomen eine großartige Gelegenheit, Beobachtungen durchzuführen und viel Forschung zu betreiben!

Zum Beispiel: Messung der Auswirkungen der Sonnenstrahlung auf die Ionosphäre der Erde; Untersuchung der komplexen Morphologie und Aktivitätsphänomene der Korona; Durchführung von Untersuchungen zur Elektronendichte und Temperatur der Koronaregion; Suche nach Beobachtungsbeweisen für den Auslösemechanismus von Sonneneruptionen und koronalen Massenauswürfen; Suche nach den Ursachen für Sonnenfleckenveränderungen; Überprüfung der Wechselwirkung zwischen dem Sonnenmagnetfeld und der Struktur und Aktivität der Korona; und die Energiequelle, die die erdnahen Weltraumbedingungen beeinflusst und für verheerende Wetterereignisse im Sonne-Erde-Raum verantwortlich ist, eingehend zu erforschen und so grundlegende Daten für Katastrophenwettervorhersagen im Weltraum bereitzustellen.

Abbildung 4. Eine totale Sonnenfinsternis ist eine gute Gelegenheit, Forschungen zur Sonnenphysik durchzuführen (Bildquelle: Veer Gallery, bearbeitet und modifiziert)

Leider bietet sich eine solche „gute Gelegenheit“ nicht alle Tage. Darüber hinaus ist die Dauer einer echten totalen Sonnenfinsternis in Wirklichkeit sehr kurz und die Datenmenge, die astronomische Forscher gewinnen können, reicht bei weitem nicht aus.

Was soll ich tun?

Es gibt wenige Möglichkeiten, also schaffen wir sie! Es wurde ein Plan für eine „künstliche totale Sonnenfinsternis“ vorgeschlagen.

Wenn die Menge nicht ausreicht, gleichen wir dies durch menschliche Anstrengung aus.

Astronomen haben durch den „künstlichen Mond“ ein spezielles astronomisches Teleskop entwickelt – einen Koronagraphen – und damit die Ära der Koronabeobachtung bei nicht-totalen Sonnenfinsternissen eingeläutet.

Die Entwicklung von Koronagraphen ist von großer Bedeutung für die Lösung des Problems der Entstehung koronaler Massenauswürfe und für die Suche nach Antworten auf wissenschaftliche Probleme wie die der Koronaerhitzung.

Vereinfacht ausgedrückt kann man es als ein Teleskop verstehen, das mit einer Sichtfeldverdeckung ausgestattet ist. Seine Funktion besteht darin, durch den speziellen Aufbau des Instruments das Bild der Sonne während einer totalen Sonnenfinsternis zu simulieren und Koronabeobachtungen durchzuführen, wenn keine totale Sonnenfinsternis vorliegt.

Herkömmliche Koronographen können je nach Zusammensetzung und Struktur in zwei Typen unterteilt werden: endohedrale und exohedrale.

Der intern verdeckte Koronograph platziert die Objektivlinse am vorderen Ende des Teleskops und setzt eine Blende (innere Abschirmung) an der primären Bildebene der Objektivlinse an. Die Blende entspricht dem Mond während einer totalen Sonnenfinsternis. Das spektakuläre und prächtige Koronalicht kann durch das sekundäre Abbildungssystem in unser Blickfeld gelangen.

Es sieht so aus:

Abbildung 5. Schematische Darstellung des Abbildungsprinzips des traditionellen Endokristall-Koronagraphen (Yuan Hongchang et al., 2019)

Der Koronograph mit externer Abschirmung verfügt über eine Abschirmplatte (externer Schild), die vor der Objektivlinse angebracht ist, um direktes Sonnenlicht zu blockieren. Nachdem das Koronalicht einmal von der Objektivlinse abgebildet wurde, gelangt es in das Kollimationssystem und wird vom sekundären Abbildungssystem vollständig erfasst.

Die mit einem Koronographen beobachtete Sonnenkorona sieht folgendermaßen aus:

Abbildung 6. Daten bereitgestellt vom Lijiang Coronagraph Observatory

Obwohl der Koronograph gut ist, ist er nicht einfach herzustellen und kein Allheilmittel.

Wenn ich mit Freunden chatte, höre ich oft einige Missverständnisse über Coronagraphen.

Viele Leute würden beispielsweise sagen, dass dieser Koronagraph großartig ist. Wäre es damit nicht möglich, jeden Tag eine totale Sonnenfinsternis zu beobachten und endlos Artikel zu veröffentlichen?

Natürlich nicht!

Zunächst einmal ist eine „künstliche totale Sonnenfinsternis“ nicht einfach. Dazu müssen zwei Schlüsseltechnologien beherrscht werden: Zum einen die Fähigkeit, Streulicht des Koronographen zu unterdrücken, und zum anderen die Auswahl eines Standorts für bodengestützte Beobachtungen des Koronographen.

Während der Beobachtung ist mit Ausnahme des Lichts der Korona, das wir beobachten möchten, alles andere Licht Streulicht, darunter direktes Sonnenlicht, Streulicht durch Verunreinigungen im unreinen Glasmaterial und sogar Beugungslicht von den Kanten optischer Komponenten usw. Beim Entwurf eines Koronagraphen ist eine Modellanalyse erforderlich, um Streulicht durch verschiedene Vorgänge wie das Aufstellen von Schutzräumen, den Einsatz hochpräziser Poliertechnologie und die Auswahl hochwertigen Glases so weit wie möglich zu eliminieren.

Da die Helligkeit der Korona jedoch viel geringer ist als die der Sonnenphotosphäre (wir verwenden im Allgemeinen B⊙, um die Helligkeit im Zentrum der Sonnenscheibe darzustellen, und die Korona kann nur 10-5～10-13B⊙ hell sein), ist dies äußerst schwierig.

Nachdem der Koronagraph zusammengesetzt ist, sind wir einer „künstlichen totalen Sonnenfinsternis“ einen Schritt näher.

Um jedoch eine „künstliche totale Sonnenfinsternis“ erfolgreich durchzuführen, ist noch ein entscheidender Schritt erforderlich: die Bereitstellung einer hervorragenden Koronagraphen-Beobachtungsstation.

Müssen Sie einen Platz zum Sonnenbeobachten auswählen?

sicherlich!

Die Übertragung des Koronalichts von der Sonne zum Einfallsfenster des erdgebundenen Koronagraphen kann eigentlich in zwei Prozesse unterteilt werden: Die erste Phase ist die Übertragung des Koronalichts durch den interplanetaren Raum zur oberen Grenze der Erdatmosphäre; Die zweite Stufe ist die Übertragung von der oberen Grenze der Erdatmosphäre durch die Erdatmosphäre zum bodengestützten Koronographenfenster.

Abbildung 7. Variation der K-, F- und E-Komponenten der sichtbaren Koronastrahlung mit der Höhe (Tu Chuanyi et al. 2020)

Im ersten Stadium wird das Koronalicht nicht durch Störungen in der Erdatmosphäre beeinflusst und kann als stabil angesehen werden. In der zweiten Phase wird das Koronalicht durch die obere Grenze der Atmosphäre zum bodengestützten Koronographenfenster übertragen, wo es hauptsächlich durch atmosphärische Streuung und Aerosolabsorption beeinflusst wird. Sogar auf einigen hohen Bergen, wo die Luft sehr dünn ist, kann die Stärke der atmosphärischen Streuung 10-5-10-6B⊙ erreichen.

Um Koronagraphenbeobachtungen am Boden durchführen zu können, ist es daher notwendig, den Standort für die Koronagraphenstation auszuwählen.

Obwohl mein Land spät mit der Coronagraphenforschung begonnen hat, holt es schnell auf

Tatsächlich wurde der erste Koronagraph der Welt bereits 1930 entwickelt.

Abbildung 8. Der Franzose B. Lyot führt Koronabeobachtungen durch (Quelle: Wikipedia)

Der Franzose B. Lyot erfand den Endokristall-Koronagraphen und konnte nach starkem Schneefall in den Pyrenäen auf einer Höhe von 2.870 Metern erfolgreich die Sonnenkorona beobachten. Dies sei ein „Meilenstein“-Schritt der Menschheit hin zu einer „künstlichen totalen Sonnenfinsternis“.

Seitdem haben Länder wie die Schweiz, Deutschland, die Vereinigten Staaten und Russland im Zuge der kontinuierlichen Verbesserung der Beobachtungsziele und der Verarbeitungstechnologie nach und nach Koronagrafen als konventionelle Bodenausrüstung eingesetzt, um kontinuierliche Beobachtungen der Sonnenkorona durchzuführen. Das Erfassungssichtfeld, die Zeit-/Raumauflösung und der Grad der Streulichtunterdrückung des Koronographen werden ständig verbessert und er hat sich von bodengestützten Beobachtungen zur autonomen Weltraumerfassung entwickelt.

Heutzutage sind Koronographen zu unverzichtbaren Instrumenten für die wissenschaftliche Erforschung und Überwachung der Sonnenphysik und des Weltraumwetters geworden.

Wie ist also der Stand der Coronagraphenforschung in unserem Land?

Im Vergleich zu den Industrieländern begann mein Land spät mit der Entwicklung von Koronagraphen, und die früheste Koronagraphenentwicklung begann in Nanjing. Im Juni 1959 organisierte die Universität Nanjing einen Koronagraphentest im Gebiet Zhulongguan des Qilian-Gebirges in Gansu. Aufgrund der Einfachheit der Instrumente und der Einschränkungen der damaligen Beobachtungsumgebung war es jedoch nicht möglich, das Koronabild erfolgreich aufzunehmen.

Jahrzehnte später besuchte unser Team zur Auswahl von Solarstandorten in Westchina mit wissenschaftlicher Ausrüstung über 60 Standorte in Xinjiang, Tibet, Ningxia, Qinghai, Sichuan, Yunnan und anderen Provinzen und Städten. Durch wissenschaftliche Analysen und in Kombination mit statistischen Daten zu Transport, meteorologischen und klimatischen Faktoren, geografischen und geologischen Bedingungen sowie sozialer und demografischer Entwicklung wurden mehrere ideale Kandidatenstandorte für Koronagraphenstationen ermittelt.

Dank internationaler Zusammenarbeit konnten wir 2013 den Bau eines Koronagraphen am Lijiang-Observatorium des Yunnan-Observatoriums in 3.200 Metern Höhe abschließen. Dies ermöglichte nicht nur die Beobachtung der Korona in meinem Land bei nicht-totalen Sonnenfinsternissen, sondern bewies auch, dass es in den hochgelegenen Gebieten im Westen meines Landes tatsächlich hervorragende Standorte für bodengestützte Koronagraphenbeobachtungen gibt. Damit wurde eine solide Grundlage für die Entwicklung von Koronagraphen in meinem Land gelegt.

Nach kontinuierlicher Modernisierung und Renovierung des Koronagraphen sowie Austausch und Zusammenarbeit mit wichtigen inländischen Universitäten und Forschungsinstituten schloss das Team 2017 den Bau der Höhenexperimentierbasis für den Koronagraphen in Lijiang ab. Gleichzeitig nutzte das Team seine Stärken, um mit der Shandong-Universität (Weihai), dem Changchun-Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Universität für Wissenschaft und Technik Chinas, dem Nationalen Astronomischen Observatorium, dem Purple Mountain Observatory und anderen Institutionen zusammenzuarbeiten.

Harte Arbeit zahlt sich aus. Am 22. Oktober 2018 erhielt der in meinem Land unabhängig entwickelte Koronagraphen-Prototyp auf der Koronagraphen-Höhentestbasis Lijiang erfolgreich ein Bild des Koronagraphen mit grüner Linie!

Der Erfolg dieses Tests stellt für mein Land einen historischen Durchbruch bei wichtigen Koronagrafentechnologien dar und markiert den Aufstieg meines Landes in die internationale Rangliste der Koronagrafen-Entwicklung.

Obwohl uns ein solcher Durchbruch gelungen ist, ist den Wissenschaftlern völlig klar, dass wir noch einen langen Weg vor uns haben, bis wir an der Spitze der internationalen Rangliste stehen. Daher begannen die Wissenschaftler nach der erfolgreichen Aufnahme von Bildern der Sonnenkorona sofort mit neuen Forschungsarbeiten.

Dieses Mal richteten sie ihre Aufmerksamkeit auf die Untersuchung der Helligkeit der K-Korona der Sonne.

Die K-Korona entsteht durch die Streuung von direktem Licht aus der Sonnenphotosphäre durch freie Elektronen in der Korona. Die Helligkeit der K-Korona kann die Verteilung der freien Elektronen- und Ionendichte in der Korona widerspiegeln. Koronale Massenauswürfe bei Sonneneruptionen sind das Phänomen, bei dem koronales Material in relativ kurzer Zeit in großem Umfang von der Sonnenoberfläche ausgeworfen wird. Es handelt sich dabei um die heftigste explosive Aktivität in der Sonnenatmosphäre und zugleich um die größte und zerstörerischste Explosion der Sonne. Koronale Massenauswürfe transportieren eine große Menge an Koronalplasma und die dynamischen Änderungen seiner Dichte hängen eng mit dem Entstehungsmechanismus der K-Korona zusammen. Die Beobachtung der K-Korona hat einen wichtigen wissenschaftlichen Forschungswert.

K-Korona-Beobachtungen stellen sehr hohe Anforderungen an den Streulichtunterdrückungsgrad des Koronagraphen und die Beobachtungsbedingungen der Koronagraphenstation, die beide unverzichtbar sind. Daher ist die Möglichkeit, die K-Korona zu beobachten, ein Zeichen dafür, dass die Koronagraphenforschung ein hohes Niveau erreicht hat.

Um die Helligkeit der solaren K-Korona zu erforschen und die Dichtestörungen freier Elektronen und Ionen in der Korona zu analysieren, ist die Entwicklung eines Weißlicht-Koronagraphen notwendig. Basierend auf der experimentellen Aufgabe des „Coronagraph Near-Space Carryover Experiment“, einem Unterprojekt des „Honghu Special Project“ des Pioneer A der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, das vom Yunnan-Observatorium durchgeführt wird, führen Forscher im Kreis Daocheng in der Präfektur Ganzi in der Provinz Sichuan in einer Höhe von fast 4.800 Metern ständig Experimente und Verbesserungen durch.

Abbildung 9. Koronagraphentest am Wuming-Berg, Kreis Daocheng, Präfektur Ganzi, Provinz Sichuan

Im Jahr 2021 gelang es dem von meinem Land unabhängig entwickelten Weißlichtkoronagrafen schließlich, ein Weißlichtbild der Sonnenkorona am Wuming-Berg im Kreis Daocheng aufzunehmen!

Abbildung 10. Chinesische Wissenschaftler haben das erste Weißlichtbild der Sonnenkorona am Wuming-Berg in Daocheng, Provinz Sichuan, aufgenommen

Der erfolgreiche Test des Weißlichtkoronagraphen lieferte Beobachtungsdaten für die K-Korona-Forschung. Dies ist das erste Mal in meinem Land und zeigt, dass die Coronagraph-Entwicklungstechnologie meines Landes ein neues Niveau erreicht hat!

Die Wunder, die aus dem namenlosen Berg hervorgingen, werden weitergehen

„Spiele tausend Lieder, bevor du ihren Klang verstehst; sieh tausend Schwerter, bevor du ihre Waffen erkennst.“ Es gibt keine Abkürzung zur wissenschaftlichen und technologischen Innovation; Die Suche nach der Wahrheit in Fakten ist die Leiter des Fortschritts.

Die klassische Frage im Bereich der Sonnenphysik: „Warum ist die Korona so heiß?“ ist eines der acht ungelösten Rätsel der modernen Astronomie, die von Science ausgewählt wurden. Es gibt jedoch zahlreiche Kontroversen über die theoretische Erklärung der „koronalen Erwärmung“, und der entscheidende Punkt ist, dass es dafür keine überzeugenden Beobachtungsbeweise gibt. Wenn wir direkte Messungen des koronalen Magnetfelds durchführen oder eine Sonde nahe genug an die Sonne bringen und Durchbrüche bei Schlüsseltechnologien und Beobachtungsmethoden erzielen, werden wir in der Lage sein, direkte Beobachtungsbeweise für das Problem der „koronalen Erwärmung“ zu erhalten. Koronagraphen spielen bei der Untersuchung dieser Schlüsselfragen eine wichtige Rolle.

Es ist erfreulich, dass das Forschungs- und Entwicklungsteam meines Landes für Koronagraphen allmählich stärker wird, bodenständig bleibt und stetig voranschreitet. Auf dem Gebiet der Koronagraphenforschung haben wir nacheinander den Entwicklungsplan für einen bodengestützten Koronagraphen, den Plan für das Weltraum-Sonnenteleskop SST, den Plan für die „Kuafu“-Erkennung und das Plan für ein polarumlaufendes Radioteleskop der Sonne, den bodengestützten Koronagraphen zur spektralen Abbildung „Meridian-Projekt Phase II“ und den vom Advanced Solar Observatory ASO-S getragenen Koronagraphen usw. umgesetzt. Diese zukünftigen „künstlichen totalen Sonnenfinsternisse“ könnten dafür sorgen, dass totale Sonnenfinsternisse nicht länger „selten“ sind.

Wir glauben, dass die Wunder, die aus den namenlosen Bergen in Daocheng kommen, auch weiterhin stattfinden werden. Mit dem Engagement und der Kreativität wissenschaftlicher Forscher werden wir dieser leidenschaftlichen Antwort immer näher kommen. Wir freuen uns auf die nächste Nähe!

Quellen:

Xia, LD, Marsch, E. und Curdt, W., Über den Ausfluss in einem äquatorialen Koronaloch, Astron. & Astrophys., 399, L5-L9, 2003.

Tian, ​​​​H., Marsch, E., Tu, C.-Y.,Xia, L.-D., He, J.-S., Größen von Übergangsregionstrukturen in koronalen Löchern und in der ruhigen Sonne,Astron.Astrophys.,482(1),267-272,2008.

Evans, JW, The Sun, herausgegeben von Gerard P. Kuiper, The University of Chicago Press, Chicago (1953).

Tian H., Tomczyk S., Mcintosh SW, et al. Beobachtungen von koronalen Massenauswürfen mit dem koronalen Mehrkanalpolarimeter. 2013.

Su Dingqiang, Entwurf, Herstellung und Test eines Koronagraphen[J]. Journal der Universität Nanjing (Naturwissenschaftliche Ausgabe), 1959(01): 9-24.

Wang, Yuming; Ji, Haisheng; Wang, Yamin; Xia, Lidong et al. Konzept der Solar Ring Mission: Überblick [J]. Science China Technological Sciences, 2020.

MN Gnevyshew, GM Nikolsky, AA Sazanov. Der Lyot-Koronagraph mit 53cm Objektiv[J].Solar Physics, 1967,2(2):232-226.

Tu Chuanyi, Zong Qiugang et al. Solar-terrestrische Weltraumphysik (Band 1)[M]. Science Press, 2020.

Yuan Hongchang, Zhang Hongxin, Sun Mingzhe. Verfahren zur Unterdrückung von Streulicht durch Beugung eines intern verdeckten Koronagraphen[J]. Chinesische Wissenschaft, 2019(11): 1343-1349.