这些太阳的特写照片可以帮助我们预测太空天气

2017 年 11 月 6 日，两场风暴同时袭击加勒比海。飓风伊尔玛利用暖海的能量，向圣马丁岛、巴布达岛和其他岛屿的居民释放出时速 185 英里的强风。与此同时，在一亿英里之外，第二次能量过剩破坏了太阳扭曲磁场的一部分，引发了太阳耀斑，向地球发射 X 射线和紫外线。在陆地风暴最猛烈的时候，太阳风暴使当地紧急频道瘫痪了大约八个小时。

尽管气象学家早已知道伊尔玛的路径，但这次强烈的太阳耀斑——十年来最强烈的一次——还是让人大吃一惊。研究人员非常了解地球大气如何与地球表面相互作用，从而产生雨、风和雪，但要弄清楚我们的本地恒星究竟是如何产生“太空天气”仍然是一个巨大的挑战。“在地球上，他们拥有庞大的气象监测站网络，”科罗拉多大学博尔德分校的太阳研究员丹·西顿说。“但在太阳上，我们有一些照片，一些推断，然后还有很多猜测。”

仍在建设中的丹尼尔·井上太阳望远镜 (DKIST) 于周三发布了首批太阳表面翻滚的图像和影片，这是缩小这一差距的一项重大努力。它的镜面直径为 13 英尺，比其他任何太阳望远镜的镜面宽度都要宽三倍，已经能够发现其他仪器无法发现的特征。在不久的将来，这座位于夏威夷哈莱阿卡拉火山上的造价 3.44 亿美元的设施还将测量驱动太空天气的看不见但强大的力量的曲折：磁力。

DKIST 将帮助研究人员“了解磁场的行为方式”，管理 DKIST 的国家太阳天文台的天文学家 Gianna Cauzzi 表示。她说，这对于“了解某些配置何时会失效以及原因”至关重要。这将给你一个提示，表明可能会有事情发生。”知道无线电频道更有可能中断，操作员可以安排其他形式的通信，或至少警告他们预计会中断的其他频道。

从远处看，太阳可能看起来像一个不变的黄色球体，但从放大​​的视角看，太阳是一个沸腾的漩涡和上升的团块——更像是沸腾的水球，而不是闪亮的小玩意。物理学家或多或少了解恒星的聚变炉如何加热气泡并将它们送上表面，以及稀薄的大气层如何向外流动。但前者如何导致后者？西顿说，太阳物理学的下一阶段将是将这两个基本不相容的图像与描述太阳风和地球磁场的其他模型缝合在一起，形成一个涵盖整个系统的大型拼接理论。

DKIST 正是为此而生。它拥有敏锐的视觉，能够捕捉到太阳的详细图像，而此前只有计算机模拟才能捕捉到这些图像。望远镜拍摄的第一组镜头（研究人员尚未对其进行科学处理）捕捉到了太阳表面一片德克萨斯州大小的沸腾区域。没有人知道这些沸腾的细胞究竟是什么样子，但从肉眼来看，理论家们似乎基本猜对了。“它们与模型预测的相似程度让我大吃一惊，”博尔德大学的太阳科学家 Courtney Peck 说，“所以我认为我们向前迈出了一大步。”

除了巨大的镜子外，该仪器的独特设计还为其提供了额外的能量。所有望远镜都会将收集到的光聚焦到一个点上以解析图像，而对于 DKIST 来说，这个点实际上位于镜子本身之外。这种配置使所有支撑光学机械（例如强大的冷却装置）远离镜子，否则镜子可能会阻挡和散射入射光。“我们希望这将是革命性的，”Cauzzi 说。

这一策略似乎已见成效。虽然施工要到夏天才会正式结束，但周三拍摄的图像已经达到了这种红光波长的最佳分辨率——捕捉到了 18 英里宽的特征。“这是一项重大成就，因为这意味着望远镜和所有下游光学系统都能按预期工作，”考兹说。

这种敏锐的专注是解决恒星谜团的关键。模型构建者试图在计算机模拟中重现太阳耀斑等巨大现象的行为，他们渴望获得 DKIST 承诺提供的精确数据。当它们改变表面上微小的、不可能看到的特征时，这些预测会发生巨大变化，而目前他们只能猜测。加上即将发射的欧洲航天器带来的新视角，西顿预计未来的太阳模型将受益于“更少的假设和更多的现实”。

周三拍摄的图像只是个开始。到明年全面投入使用时，该望远镜将配备总共五种仪器，能够收集光谱中可见光和近红外部分的颜色。

至关重要的是，这些仪器还将能够分辨穿过太阳各个层面的不可见磁场线，因为它们的磁场影响以可识别的方式引导和过滤光线。太阳物理学家特别好奇地将 DKIST 转向日冕，日冕是一个比恒星表面暗 10,000 倍（但矛盾的是，它要热得多）的大气层。喷发在到达地球的途中会穿过日冕（几天后会导致停电），因此那里的磁场是太空天气谜团中一个至关重要但仍被误解的部分。“这是我们没有的东西，”考齐说。

各种天气本质上都是混乱的，就像冬季风暴预报仍然难以准确预测降雪一样，太空预报员可能永远无法预测三年前袭击加勒比海的那种会干扰通信的太阳耀斑的准确时间和强度。尽管如此，西顿认为，更统一的太阳理论将有助于研究人员更好地识别磁场何时爆发，DKIST 的独特能力将有助于各种太阳物理学的进步。

“任何时候，只要我们以一种新颖的方式观察太阳，就会立刻对所见之物感到惊讶，”他说，“而这些没人预料到的东西将带来突破，让我们更深入地了解太阳系统的实际运作方式。”