安裝在中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)麗江高美古觀測(cè)站的第一代光纖陣列太陽光學(xué)望遠(yuǎn)鏡(FASOT-1, 見圖1) 成功獲得二維空間積分視場(chǎng)內(nèi)各個(gè)空間點(diǎn)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(dòng)的爆發(fā)機(jī)制和對(duì)這些活動(dòng)預(yù)報(bào)。要解開活動(dòng)爆發(fā)的謎團(tuán)和對(duì)這些活動(dòng)進(jìn)行可靠的預(yù)報(bào)，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(yùn)過程。
FASOT致力于同時(shí)獲得太陽大氣二維觀測(cè)區(qū)域積分（連續(xù)）視場(chǎng)內(nèi)所有空間點(diǎn)產(chǎn)生的在一定波段范圍內(nèi)斯托克斯（輻射強(qiáng)度及其包含的偏振輻射強(qiáng)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(duì)磁場(chǎng)敏感，其朗德因子g較大）譜線，它們成為探測(cè)磁場(chǎng)的載體，并且FASOT-1可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)光柵和替換前置濾光片來對(duì)用戶感興趣的觀測(cè)波段進(jìn)行選擇。通過對(duì)這些斯托克斯光譜進(jìn)行可靠的理論分析能使研究者同時(shí)獲得二維視場(chǎng)內(nèi)太陽大氣不同高度層次的磁場(chǎng)、熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)精確信息。目前國(guó)際上還沒有一臺(tái)常規(guī)觀測(cè)太陽光學(xué)望遠(yuǎn)鏡具備了這樣的功能。
FASOT儀器結(jié)構(gòu)的最大特征為一對(duì)積分視場(chǎng)單元（IFU，圖1中標(biāo)注處為一對(duì)IFU頭和延伸出的光纖束），類似于自然界蜻蜓等昆蟲的一對(duì)復(fù)眼。然而，這對(duì)IFU不像昆蟲復(fù)眼那樣用于導(dǎo)航，而是用來實(shí)現(xiàn)高靈敏度偏振測(cè)量，從而達(dá)到高靈敏度測(cè)量太陽大氣中磁場(chǎng)的目的。除了望遠(yuǎn)鏡科學(xué)儀器結(jié)構(gòu)的新穎性（成對(duì)的IFU）以及以上所述功能的獨(dú)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(cè)量靈敏度和時(shí)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(yùn)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(jī)運(yùn)用這樣的技術(shù)對(duì)2013年11月非洲加蓬日全食觀測(cè)科學(xué)資料分析已經(jīng)取得了科學(xué)成果）。國(guó)際著名太陽物理學(xué)家J.O.Stenflo教授曾經(jīng)預(yù)測(cè)，F(xiàn)ASOT可能會(huì)打開新的一類太陽科學(xué)觀測(cè)儀器的大門，而中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)FASOT團(tuán)組現(xiàn)在正緩慢而艱難地將此預(yù)測(cè)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
FASOT-1的一對(duì)扇形IFU產(chǎn)生1240多條光纖光譜，擁有620多個(gè)空間采樣點(diǎn)，25條直線串聯(lián)多個(gè)光纖的相接的“狹縫”。這一對(duì)IFU由哈爾濱工程大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)聯(lián)合研制（國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院天文聯(lián)合重點(diǎn)基金項(xiàng)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(qiáng)）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(duì)太陽表面一個(gè)編號(hào)為NOAA 12994活動(dòng)區(qū)的局部觀測(cè)，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(gè)相接“狹縫”中的5個(gè)相鄰“狹縫”）。橫向?yàn)樯ⅲúㄩL(zhǎng)）方向，豎直方向?yàn)閷?duì)IFU二維前端重新編織排列的空間點(diǎn)分布方向。其中輻射強(qiáng)度I光譜圖像（上圖）為視場(chǎng)內(nèi)空間點(diǎn)的輻射經(jīng)過色散后在各個(gè)波長(zhǎng)采樣點(diǎn)強(qiáng)度分布，而V/I光譜圖（下圖）則給出了對(duì)應(yīng)的歸一化圓偏振信號(hào)。可以看出，即使在色球中高層大氣中形成的一次電離鈦線（Ti II 515.4nm）處也探測(cè)到圓偏振信號(hào)。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(shí)探測(cè)磁場(chǎng)等物理量的硬件基礎(chǔ)。
圖4給出了在不同空間點(diǎn)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(qiáng)，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(hào)較弱。這是由于在磁場(chǎng)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(chǎng)向高層大氣擴(kuò)散導(dǎo)致的磁場(chǎng)強(qiáng)度變?nèi)酰ǚQ為傘蓋效應(yīng)），從而其產(chǎn)生的偏振信號(hào)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(lán)線翼各有一條其它磁敏譜線。由于目前偏振測(cè)量靈敏度還未達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，線偏振光譜只是在二維積分視場(chǎng)少數(shù)空間采樣點(diǎn)才能探測(cè)到。
綜上所述，F(xiàn)ASOT-1已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從光球、中低層色球到中高層色球探測(cè)磁場(chǎng)以及其他物理學(xué)量的初步觀測(cè)目標(biāo)。FASOT團(tuán)組將在南方雨季期間對(duì)FASOT-1進(jìn)行必要的升級(jí)改造和系統(tǒng)完善，進(jìn)一步提高其偏振測(cè)量靈敏度，從目前的10-3提升到10-4量級(jí)。
FASOT-1得到國(guó)家自然科學(xué)基金重大科研儀器研制項(xiàng)目（自由申請(qǐng)）、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院天文聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目以及中國(guó)科學(xué)院院級(jí)科研儀器設(shè)備項(xiàng)目（青年）支持。
圖1 安裝在中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)麗江高美谷觀測(cè)站的FASOT-1。詳情如下:左圖：觀測(cè)圓頂;中圖：位于觀測(cè)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(chǎng)光譜儀通過光纖束（共四個(gè)子束在IFU后端形成四個(gè)子狹縫）與這部分進(jìn)行光學(xué)鏈接;右圖：位于觀測(cè)圓頂內(nèi)底層可容納多條狹縫同時(shí)色散的積分視場(chǎng)光譜儀（外部人工光源照亮后拍攝，中國(guó)科學(xué)院院級(jí)科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目）
圖2 FASOT-1采集處于一個(gè)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(tái)積分視場(chǎng)光譜儀同時(shí)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(biāo)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(chǎng)對(duì)磁敏譜線的加寬效應(yīng)明顯可見
圖3 同時(shí)獲得的二維積分視場(chǎng)中對(duì)應(yīng)太陽觀測(cè)表面時(shí)相接的5條“狹縫”解調(diào)后的斯托克斯光譜。上：輻射強(qiáng)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(cè)到了形成于光球?qū)拥腇eI519.1nm (g=2.0) 強(qiáng)圓偏振信號(hào)和低色球?qū)拥腗g I b三線（g=1.25～2.0）中等強(qiáng)度的圓偏振信號(hào)，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(hào)
圖4 從不同空間點(diǎn)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(gè)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(biāo)簽： 光學(xué)望遠(yuǎn)鏡 FASOT-1
