超表面元件讓太陽磁場測量“一氣呵成”
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未來的空間望遠鏡在監(jiān)測太陽磁場活動時,只需一個指甲蓋大小的關(guān)鍵元件。美國加州大學(xué)圣迭戈分校與英國宇航系統(tǒng)公司合作開發(fā)出一種直徑僅6毫米的新型超表面元件,可一次完成太陽磁場測量,無需多次曝光和復(fù)雜機械結(jié)構(gòu),有望簡化太陽觀測設(shè)備、降低任務(wù)成本。相關(guān)成果發(fā)表于新一期《科學(xué)進展》雜志。
在天文學(xué)中,偏振測量非常重要,因為它能揭示太陽磁場的信息。而準(zhǔn)確掌握太陽磁場,有助于理解日冕物質(zhì)拋射等太陽活動。這類劇烈爆發(fā)會將大量帶電粒子云拋向地球,對衛(wèi)星、電子基礎(chǔ)設(shè)施、通信系統(tǒng)和電網(wǎng)造成嚴(yán)重威脅。
目前,太陽望遠鏡利用專門的光學(xué)元件分析不同方向的偏振,但通常一次只能測量一個方向。為了獲得完整信息,儀器需要在旋轉(zhuǎn)偏振元件的同時連續(xù)拍攝多張圖像,再將它們合成為完整結(jié)果。這一過程類似于戴著偏振太陽鏡,從不同角度拍攝多張照片,再將其拼合以獲取全部信息。但在太空環(huán)境中,航天器的微小振動就可能導(dǎo)致多次曝光之間發(fā)生偏移,影響觀測精度。
新技術(shù)的核心是一種名為“超表面偏振光柵”的光學(xué)元件。它利用納米尺度結(jié)構(gòu)操控光線,可同時將入射光分離為多個偏振通道,一次曝光便能獲得原本需要多次拍攝才能得到的信息。由于無需旋轉(zhuǎn)或移動部件,整個系統(tǒng)更加簡單、緊湊。
研究團隊將該超表面集成到定制的望遠鏡部件中,部署于美國新墨西哥州的鄧恩太陽望遠鏡開展測試。實驗中,系統(tǒng)成功同步獲取了太陽黑子的偏振圖像,并測出其中蘊含的磁場信息。團隊將所得結(jié)果與美國國家航空航天局(NASA)太陽動力學(xué)觀測衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進行比較,發(fā)現(xiàn)兩者高度一致。
團隊表示,這項成果是超表面技術(shù)從實驗室概念驗證邁向?qū)嶋H科學(xué)應(yīng)用的重要一步。
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