太阳高分辨率观测的重要意义 The importance of high-resolution solar observations

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1 太阳高分辨率观测的重要意义 The importance of high-resolution solar observations
方 成 南京大学天文系 Department of Astronomy Nanjing University

2 Contents Ground-based observations in abroad
Space observations in abroad Ground-based observations in abroad The importance of high-resolution solar observations Existent and future telescopes in China Future prospect of solar physics study in China

3 Solar activities: Flares and CMEs
TRACE观测的耀斑 SOHO观测的日冕物质抛射

4 Space observations in abroad
Hinode ( ) SDO ( ) STEREO ( ) SOHO ( ) TRACE ( ) RHESSI ( ) Solar Orbiter (2017 ?) Solar Sentinels (2018 ?)

5 Main scientific objects of Hinode（日出）
元磁流管的连续高分辨率观测 磁流浮现、黑子形成及日震观测 探测 MHD 波 光球色球的磁重联 纳耀斑(Pico-flares)及元磁场的跟踪 (Parker concept) 热环和冷环的磁特性

6 Three high-performance telescopes
EUV 成像分光计 (EIS) 诊断日冕热特性和动力学 50cm太阳光学望远镜 (SOT) 光球磁场和速度场 的高分辨率观测 X射线 望远镜 (XRT) 日冕X射线、EUV 高分辨率成像

7 SOT Broadband Filtergraph Dt : 2s 218 × 109 / 0.054 arcsec filtergraph
wavelengths 388.3 CN molecular bandhead: chrom. network Ca II H-line: magnetic elements in low chrom G-band CH bandhead: magnetic elements 450.5/555.0/668.4 continuum. FOV / pix scale 218 × 109 / arcsec Narrowband filtergraph Dt : 3s~30s FeI Photospheric magnetograms Mg Ib Low chromosphere mag./dopplergrams Fe I Photospheric dopplergrams Na D Chromospheric magnetic fields Fe I Photospheric magnetograms H I H-alpha chromospheric image and Dopp 328 × 164 / 0.08 arcsec Polarization IQUV, ~0.5% accuracy Spectro­ Polarimeter Dt : 3s~1hr 630.2 nm (high precision vector mag. Fields) 164 x 324 (full scan) / 0.16 arcsec IQUV full profile, 0.1% accuracy Correlation tracker, 580Hz nm FOV 11 × 11 arcsec

8 Some observations Fine structure of magnetic field

9 Activities in the photosphere and the chromosphere
Prominence Small scale activities

10 Fine structures in and around sunspots
黑子与米粒活动

11 SDO (Solar Dynamical Observatory) 2010.2.11 发射，预期寿命5年
Main scientific objects 3维日冕动力学结构 高精度向量磁场和速度场 高能粒子辐射和源区 各种波的研究 太阳辐射测量

12 Payloads on SDO

13 AIA Telescope Assembly = Science Telescope + GT + CEB
视场：41’ – 46’, 4K х 4K CCD, 正入射多层膜，分辨率: 1.2” Channel Visible 1700Å 304Å 1600Å 171Å 193Å 211Å 335Å 94Å 131Å †† - 12.7 4.7 6.0 7.0 16.5 0.9 4.4 Ion(s) Continuum He II C IV+cont. Fe IX Fe XII, XXIV Fe XIV Fe XVI Fe XVIII Fe XX, XXIII Region of Atmosphere* Photosphere Temperature minimum, photosphere Chromosphere, transition region, Transition region + upper photosphere Quiet corona, upper transition region Corona and hot flare plasma Active-region corona Flaring regions Char. log(T) 3.7 5.0 5.8 6.1, 7.3 6.3 6.4 6.8 7.0, 7.2 AIA wavelength bands *Absorption allows imaging of chromospheric material within the corona; ††FWHM, in Å Fe XVIII 94 Å Fe XX/XXIII 133 Å 1600Å? Fe IX/X 171 Å Fe XII 195 Å Fe XIV 211 Å C IV Å He II 304 Å Fe XVI 335 Å

14 Varieties of solar activities
SDO新观测结果 分辨率: 1.0” Mar. 30, filament eruption Solar active regions in different temratures

15 Solar Orbiter (2017 ?) ESA, 1300公斤，0.23 AU
实地测量带电粒子、中性粒子、磁场和尘埃粒子等 遥感测量高分辨全日面和局部太阳紫外和可见光像、测量局部磁场。包括日冕仪、极紫外成像望远镜、极紫外分光计、X射线成像望远镜、磁象仪、辐射计等

16 Solar Orbiter 太阳大气观测仪器
Solar Orbiter Coronagraph Department of the Navy Naval Research Laboratory R. Howard USA Extreme Ultraviolet Imagers Royal Observatory of Belgium Dr. JM. DefiseB, F, D, UK, Extreme Ultra-Violet Imager EUV Naval Research LaboratoryDr. J. Newmark USA Extreme Ultraviolet Spectrometer Rutherford Appleton Laboratory Prof. R. Harrison, UK, D, I, N, USA, F, CZ Spectral Imaging of the Coronal Environment SPICEGSFC Dr. J.M. DavilaUSA, UK Radiometers Royal Meteorological Institute of Belgium Dr. Ir. S. DewitteB Solar Irradiance Monitor 3D World Radiation Center H. Roth CH, D Space Weather Imaging Sentinel Southwest Research Institute Dr. D.M. Hassler USA Visible Imager and Magnetograph Max Planck Institute for Solar System Research Dr. J. Woch D, E, F, USA, S, CH, NL , Dual-Height Vector Magnetograph and Dopplergraph Marshall Space Flight Center Dr. J. Davis USA X-ray Imaging Spectrometer Institute of Astronomy Dr. G. Hurford CH, CZ, IR, F, UK, GR, A, D, USA, Japan

17 Solar Sentinels NASA, 2018 ?, 3-5 years
Scientific objects: 了解高能粒子的加速和传输； 了解CME和行星际激波的初发和演化。 共6个卫星：4个在0.25AU，1个在地球附近，1个在地球后方

18 Ground-based observations in abroad
瑞典1米真空太阳望远镜 大熊湖1.6米太阳望远镜 VTT(德国)，1米太阳塔 THEMIS(法-意)，90cm口径 德国GREGOR 1.5米望远镜 美国国立天文台4米太阳望远镜(ATST) 欧州太阳望远镜（EST）

19 瑞典1米真空太阳望远镜 (SST) 2002.5 First light 自适应光学 很少而高质量的镜面 ~0.1角秒的太阳像
分光偏振计(2006.4) 双Fabry-perot滤光器系统及成像偏振计，70”×70”, 0.07”/pixel, nm.

20 BBSO 1.6m telescope ATST之前世界最大太阳望远镜 Off–axis 望远镜
BBSO 视宁度 R0>7cm，这是自适应光学所必需的 2009 first light

21 采用自适应光学 目前AO-96, 新建: AO-349

22 BBSO

23 Other big telescopes 还有一些新的射电望远镜 THEMIS, 90cm VTT, 70cm, Tenerife
NSO, 1m, Sunspot THEMIS, 90cm 还有一些新的射电望远镜

24 德国GREGOR telescope (1.5m) (地平式，自适应光学)
At Teide Observatory, Tenerife

25 GREGOR scientific objects and instruments
磁通量的浮现、演化和消失 黑子的能量平衡 色球精细结构和加热 Main instruments: Fabry-Perot 分光计 偏振光谱仪 红外光谱仪 (计划)

26 Advanced Technology Solar Telescope - ATST European Solar Telescope - EST
口径4米 观测波长0.3-35µm 5,000 Å 视场3-5角分 偏振测量精度5×10-4 ATST:建在夏威夷 EST:建在La Palma ATST - First light in 2015 EST - First light In 2020

27 Advantages and disadvantages of ground-based observations
高的时间分辨率 (0.01 sec) 高的光谱分辨率 (≧ 200,000) 高的空间分辨率 (0.1” – 5000Å) 易维修和更新 低成本 Disadvantages： 受大气和天气的影响 只能白天观测

28 Why we need high-resolution (spatial and temporal) observations
光球中光子平均自由程和压力标高 0.1’’ = 70 km 磁对流与大气动力学耦合 磁流管是磁大气的基本构件 磁流管与冕环的关系 很小尺度下的物理过程 (5 – 20 km)

29 Resolution of the telescopes
SoHO-resolution image of sunspot TRACE-resolution image of sunspot Swedish Solar Telescope image of sunspot

30 Why we need high-resolution observations?
研究元磁流管,纳耀斑 研究耀斑和CME 研究暗条形成和结构 研究黑子的形成及能量平衡（精细结构、本影点） 研究色球精细结构和加热（针状物、微耀斑等） 研究光球宁静区 研究高能粒子辐射和源区 研究各种波的形成和传播

31 To study magnetic elements, nano-flares: corona heating, the origin of MF etc.
沿切线1的空间-时间图 Monte-Carlo 模拟结果 沿切线2的空间-时间图 Hinode CaII 3968A 图像，从针状物检测色球Alfven波，足可引发太阳风 (Pontieu et al. 2007)

32 To study flares and CMEs: WLFs, current sheets, magnetic reconnection etc.
White-light flare at 1.56 μ Xu et al. (2004) Lin et al. (2005)

33 Approach of flare Hαtwo-ribbons Ji et al. (2004, 2006)
时间分辨率40幅/秒 两个耀斑双带核块在脉冲相 时先靠近，后再分离

34 To study the formation and the structures of filaments
暗条足点？ Aulanier et al. 1998 SST观测到的暗条

35 To study the formation and the structures of filaments
From Hinode

36 To study the formation and the energy balance of sunspots
Hinode

37 To study the formation and the energy balance of sunspots
Hinode (Camag )

38 SST Blue Continuuum Resolution ≈ 80km 2010.8.11
Jess et al., ApJL, 2008

39 To study the fine structures and the heating of the chromosphere （Including spicula、microflares etc.） SST: 6563A, 8662A, Slit-jaw images 研究运动的纤维结构 (Langangen et al., 2007) SST: (a) G-band像, (b) 3968Å 像, (c) 6302Å 磁图 , (d) 6768AÅ 速度场 (Berger et al.m 2004)

40 To study small scale activities
Various Ca jets To study small scale activities 在 Ca II H 像中发现许多 jets (Shibata et al. 2007, Science 318, 1591) 宽 度~ km 长度~ km 速度 ~ 5 – 20 km/s 寿命 ~ 100 – 200 sec 2006 Dec 17 CaII H broad band filter images

41 Ellerman Bombs and Microflares
EB at H α (1.3Å) and 1600Å (Qiu et al., 2000) Locations for two MFs (No.1-2) on the 2D images at the Hαcenter at 08:12 UT The contour levels of the longitudinal magnetic field are - 800, -300, -50, -5, 4, 40, 200, 500 G. The green and purple lines correspond negative and positive polarity, respectively.

42 To study the quiet regions of the photosphere （对流、米粒、米粒间等）
Hinode G band (4305埃) CaI

43 To study the quiet regions of the photosphere (SST)

44 To study the emission and the origin of high energy particles
黑点为起点，颜色由深到浅代表UV点的运动 Fletcher et al. 2004

45 To study the emission and the origin of high energy particles
HXR 点源运动，从红到紫 Trace 1700A bright points (Temmer et al. 2007)

46 To study the formation and propagation of waves
Hinode/EIS 195 Å 振幅：1 km/s 周期：296 s 局地磁场：39±8G Doorrsselaer et al : 冕环的震荡

47 To study the formation and propagation of waves
由Hinode/SOT资料求色球强度起伏谱，表明 5-40mHz 波动能量不能够解释色球加热 (Carlsson et al. 2007)

48 Existent telescopes 南京大学太阳塔 太阳磁场望远镜 全日面磁场望远镜 多通道近红外光谱仪 (PMO)
太阳磁场望远镜 全日面磁场望远镜 多通道近红外光谱仪 (PMO) 精细结构望远镜 (PMO, YAO) 全日面Hα监视仪 (YAO) Stokes 光谱仪 (YAO) 快速太阳射电频谱仪

49 怀柔全日 面磁图

50 Some observation data 国台射电频谱仪 斑马纹结构 南京大学二维成像光谱 高光谱分辨率的二维耀斑光谱资料
紫台10830埃二维耀斑光谱资料

51 Telescopes under construction
Space： SST, 夸父(Quafu) Ground：1米光学/红外太阳塔（高分辨局部，云台） ONSET（高分辨全日面，南大，云台） 射电日象仪（高分辨射电，国台）

52 Space Solar Telescope (SST)
HWT Main Payloads EUXT 1m 光学望远镜 (MOT) : 0.1” , 2.8'×1.5', 8 channels Stokes parameters ~ 2×10 -4 极紫外和软X线望远镜(EUXT) : 0.8  , 8.5'×8.5' , 4 channels H 和白光望远镜 (HWT): 1 , 0.7°× 0.7° 硬X射线成像望远镜 (HXI) 白光日冕仪 (SOC) 太阳和行星际射电频谱仪(SIR): 2-50 MHZ MOT HXI SOC SIR

53 夸父(Quafu)卫星 EUV/FUV 望远镜 日冕动力学成像仪 (白光和 Lyman-α) 射电和波测量仪 太阳风仪器包
硬X和Gamma射线分光计

54 1m真空太阳塔 建在距昆明60公里的抚仙湖旁 高度: 1722 m， 抚仙湖平均水深 87米 1m Solar Telescope
ONSET

55 Scientific objects of 1m solar telescope
在亚角秒空间分辨率和高时间分辨率下，通过（斯托克斯）光谱分析对光球和色球中矢量磁场(5G)、热力学参量场和Doppler速度场(0.1km/s)的空间三维分布的精确测量，研究这些物理量场的耦合与发生在太阳内部和日冕的动力学过程的关系。 高分辨率的局部磁场观测（偏振测量精度好于510-4）； 高分辨率的局部光谱观测（高速扫描0.05秒/狭缝-普通光谱测量，0.1秒/狭缝-Stokes光谱测量）； 高分辨率的局部成像观测。

56 Optical and Near-infrared Solar Eruption Tracer (ONSET)
将安置在全国最好的太阳观测地-昆明附近的抚仙湖畔 口径27-20厘米同时观测得到Hα、白光和10830埃高辨率全日面和局部太阳像 2010年建成

57 Observation data Hα image WL image 10830A image 数据量40 Gb/天 (每分钟三张像)

58 Scientific objects of ONSET
耀斑能量传输和动力学过程。 H 和10830埃耀斑演化， 能量从日冕往下和从色球往上的传输，高能粒子诊断等； 日冕物质抛射(CME)源区特征及演化。 CME的源区特征和触发，He 波/亮度, Moreton 波, 暗条爆发, CME的特性等； 发现一批白光耀斑，在白光耀斑的研究中取得创新的重要成果。 其他，如：冕洞的分布和规律，10830像“暗点”的特征和规律， 暗条振荡和日冕磁场诊断等。

59 中国射电日像仪 (CSRH) 位置: 内蒙古正镶白旗，距北京400公里,10月9日奠基
天线阵 Range: ~0.4–15 GHz （：~75 –2 cm） Frequency Res.: or 128 chan （0.4-2 GHz） 32 or 64 chan （2-15 GHz） Spatial Res.: ”– 50” Temporal Res.: ~<100 ms （ GHz) Dynamic Range: 30db （snapshot） Array: (404.5m + 60x2m) parabolic antennas Lmax 3 km Field of view 0.5– 7

60 Summary 高空间和高时间分辨率的观测是追求的目标
国际上将有众多的大型新望远镜(空间和地面)投入观测。 两类望远镜：太阳局部的高空间分辨率观测，主要研究中、小尺度精细结构；全日面高时间分辨率观测，主要研究中、大尺度结构（对空间天气学研究很有用）。 卫星观测项目众多：从光球到日冕，从太阳到行星际，具有成像和分光仪器。 地面观测项目特点是：建在最好的台址；采用自适应光学和主动光学技术；覆盖很宽的波长范围；多数望远镜都配备了偏振测量设备。

61 Future prospect of the solar physics study in China
必须加快发展新技术、新方法 如自适应光学、红外技术、空间技术等 发展有特色的大型观测设备 积极参与及使用国际上大型设备 努力创立有特色的理论模型、加强 数值模拟研究 无论1维2维还是3维，重要的是新想法 对于我们这个处于发展中的国家来 说，也许会是投入产出比高的策略。

62 谢谢！