太阳磁场测量设备之多通道望远镜

中科院国家天文台怀柔太阳观测基地

1982年破土动工的怀柔太阳观测基地

一桶桶施工材料就这样被人工抬上塔楼楼顶

怀柔水库堤岸，湖光山色，大美不言，中科院国家天文台怀柔太阳观测基地坐落于此。在这里有一群追日问天之人，他们来自中科院国家天文台，常年守候着天文望远镜，日出而作日落而息，试图向太阳这颗火热的恒星寻求更多科学要义。对他们而言，做学问是本分，分担国家重大任务是责任，为国民经济服务是目标。

■本报记者 杨琪 ■傅利

时至初冬，中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地（以下简称怀柔观测基地）的太阳磁场望远镜观测塔纯白的身影在寒风中依然挺拔。

怀柔观测基地主要开展太阳磁场和速度场的观测与研究，是中科院国家天文台天文观测与研究的重要基地之一。建站30年来，几代科研人员常年守候着几架天文望远镜，孜孜不倦地探索着太阳的奥秘。

“从首任首席科学家艾国祥院士起，几代科研人员秉承的理念未变，即研制最先进的设备、开展最前沿的研究、服务于国家需求。”怀柔观测基地主任兼总工程师邓元勇告诉《中国科学报》记者。正是在这一理念的指导下，怀柔观测基地一步一个脚印，迈上了国际太阳物理观测研究的前沿舞台。

从这里走出去

说起这里正在运行的天文设备，邓元勇如数家珍：有口径35cm的太阳磁场望远镜，口径60cm的三通道望远镜，以及全日面光学和磁场监测系统。

这些仪器各有“传奇”。1986年，太阳磁场望远镜通过鉴定，获得光球、色球矢量磁场和视向速度场观测资料，成为国际上仅有的三台同类仪器之一，且综合功能比美国研制的另两台设备都要强大。8年之后，多通道太阳望远镜通过鉴定，它可以同时在太阳大气的9个不同层面上获得太阳磁场资料，是国际上功能最强大的太阳望远镜系统之一。

2006年，地基全日面太阳光学和磁场监测系统通过鉴定，在国际上率先发布全日面矢量磁场观测数据，于次年获得军队科技进步奖一等奖。它实现了观测数据实时上网，为大尺度太阳矢量磁场研究和太阳活动监测与预报提供长期可靠的观测资料。

去年，怀柔观测基地为国家卫星气象中心的气象监测与灾害预警工程研制了太阳磁场望远镜系统，通过鉴定后，这套系统远赴新疆温泉气象局执行常规观测业务，为国家空间天气预警提供强有力的支撑。

“依赖这些科研利器，科学家们作出了许多优秀成果。在太阳物理前沿研究方面，怀柔观测基地在国际上长期占有重要地位。”邓元勇说。自怀柔观测基地运行以来，已发表相关SCI论文500多篇，产生了重要的国际影响。

依托太阳磁场测量，上个世纪80年代，中科院院士艾国祥等人开始进行“磁挤压无力场耀斑模型”的研究，取得了“大耀斑出现前的位置具有红移前兆特征”的重大成果。

利用太阳磁场望远镜，中科院院士汪景琇关于“太阳磁场结构和演化的研究”获得2009年国家自然科学奖二等奖。“项目立足于我国有特色的领先观测，8篇代表性的论文中有7篇是基于我国科学家创造性研发的太阳磁场望远镜观测完成的。”汪景琇院士在国家奖答辩报告中这样写道。

此外，邓元勇、汪景琇和美国太阳物理学家约翰·哈维（John Harvey）合作完成了“太阳高纬度较差自转磁特征追踪”。怀柔观测基地首席科学家张洪起在太阳磁场形态演化及磁螺度的观测研究领域也取得了丰硕成果。

用青春写答卷

邓元勇告诉记者，怀柔观测基地的定位是：以太阳大气活动的核心——太阳磁场的观测和研究为主攻方向；以太阳物理的前沿课题—太阳爆发活动现象的机理为立足点，力求在太阳物理研究上取得突破，以此为目标，寻求天文观测技术的不断进步与创新；并以服务于国家战略需求—灾害性空间天气监测预报为科学研究和技术发展的输出口。

这些扎根科研的底气源于第一代国家天文台（原北京天文台）科研人员的艰苦开拓和长远规划，也源于多年来一代代怀柔人的传承积累与深厚积淀。

上个世纪初，美国科学家海尔（Hale）在威尔逊天文台使用第一代太阳磁像仪首先发现黑子中几千高斯的强磁场，这使得美国主宰太阳物理研究长达数十年。之后，美国及苏联的科学家发明的第二代磁象仪解决了矢量磁场、弱磁场等测量难题，但这些手段仍然只能观测到点源磁场。

那时，年轻的艾国祥和同事们面临着巨大拷问——中国天文工作者该如何介入其中呢？艾国祥有自己的哲学思考，他摒弃了跟着外国人亦步亦趋的“捷径”，根据太阳望远镜研发进程“点—线—面”的辩证规律，一步到位地提出了磁场望远镜跨越式发展的总体设想，即开展太阳矢量磁场的二维成像观测（即面源观测）。这为怀柔观测基地跻身世界太阳物理观测研究前沿奠定了坚实的基础。

之后，怀柔观测基地进入建设期，艾国祥又带领着一批年轻人冲在第一线。

他们身兼数职：工人、技术员、调度、研究人员。为了磁场望远镜的研制，他们扎根南京天仪厂数十年，留下“做不成好父亲、好母亲”的缺憾；为了寻找望远镜材料冰洲石，他们不知钻了多少个山沟，下了多少趟矿井；为了安装望远镜，他们在几十米的高空上作业，脚下就是幽深的湖水……

历时十载，在世界上率先提出原理并参加总体和核心部件——双折射滤光器研发和总调试的太阳磁场望远镜终于研发成功。它被国际公认为当时主流的发展系统，仪器性能位居世界仅有的三台同类仪器之冠。科学家们用自己的青春为中国的天文事业交出了合格的答卷。

“今天，我们拥有的优良工作和实验环境是前辈们无法想象的。天文学永远都是一门苦行僧的科学！不潜心于文献的精读，不潜心于实验室的苦练，仅靠精良的计算机和实验设施，绝对做不出一流的科研成果。”邓元勇时常鼓励怀柔观测基地的年轻人，用自己的青春书写浇灌优秀的科研成果。

直面现代化冲击

好设备、好研究为怀柔观测基地带来了好机遇。1987年，中美两国的太阳物理学家首次联袂开展太阳磁场的“日不落”观测。利用怀柔太阳观测基地的太阳磁场望远镜和美国加州理工学院大熊湖太阳天文台的太阳望远镜昼夜不停交替观测。

这场“日不落”观测是世界上首次进行的太阳局部区域磁场的连续观测。该观测研究作为太阳磁场变化观测方面的开创性课题，为确定太阳磁场长时间序列演化的基本规律作出了不可替代的贡献。

但是，怀柔人明白，三十载的奋斗和辉煌已成过往，怀柔基地的未来充满挑战。

2005年以前，怀柔基地的矢量磁场资料是国际领先的。2006年，日、美、欧“日出”（Hinode）卫星开始工作，借助空间观测的特有优势，对地面观测站造成冲击。至2010年，美国SDO卫星开始工作，尽管磁场测量精度不如怀柔观测基地的，但是该卫星有自己的优势，其矢量磁场资料的连续、稳定、高速，前所未有地对怀柔站造成了巨大冲击。

此外，任何一个设备或天文台都有其自身的生命周期，虽然现在能够很有信心地保证怀柔观测基地尚能高质量运行20年，但是20年之后何去何从？城市化进程使得怀柔站观测条件只能变更坏而不可能变更好，因此将不适宜安置新一代太阳观测设施。

对此，他们早已想在了前面——用先进技术弥补先天不足，利用近30年的国际独有资料积累，开拓新方向。

“我们要变被动为主动。”邓元勇说，“从事最前沿的研究，研制最先进的设备，为国家需求服务，我们的总原则一直没有改变。”

他们采取的具体措施有：维持现有设备的高质量运行，继续为太阳物理研究和空间环境监测预报服务；在保持怀柔现有研究优势方向的同时，促进怀柔基地的核心研究即磁场研究与天体物理相关前沿科学问题的交叉融合；加强和国际目前最好设备的交流，以及实质性合作（如NST，目前在运行的最大口径太阳望远镜；ATST，在建设中的未来最强大的地基太阳望远镜）；先进太阳观测技术的创新和发展；积极参与下一代太阳设备的项目推动、科学预研、仪器设备研制等，其中包括深空太阳天文台DSO、中国巨型太阳望远镜CGST和“日不落”地基监测网建设等。

作为下一代地基太阳光学和红外旗舰项目的CGST，其目标显然是雄心勃勃的，希望“超越美国的ATST，成为世界上最先进的太阳红外和光学望远镜”，并“20年领先，40年先进”。目前，该项目处于全面推进阶段，而怀柔基地主导的CGST关键科学和技术先驱性工程—“用于太阳磁场精确测量的中红外观测系统”（AIMS）已获国家基金委“国家重大科研仪器研制项目（部门推荐）”立项批准。“今天的我们已经作好了重新上路的准备。”邓元勇说。

延伸阅读

再创辉煌靠后生

■艾国祥

怀柔太阳观测基地已届而立之年，而太阳磁场望远镜从开题到现在已近天命之龄。对天文学的发展，在出成果、出人才上，怀柔太阳观测基地都有过重大贡献。今天，怀柔观测基地又走在新的征途上。温故而知新，用历史的角度进行分析和总结，也许能提供再发展的思路或曰发展战略。

放眼世界，以发展和发明为特征的创新是科研系统的普遍追求。怀柔观测基地的发展，我认为，要敢于只做新的、只做世界第一的、只做最先进的，只有追求这样的目标，才可能是最具体的落实。

有人会问：我们的科研还要干别的吗？跟踪吗？仿制吗？照抄传统做法吗？这些，都应该拒绝。我们要对世界和历史发展进行广泛和深入的调研，据此遇见并提出新的一代（一轮）发展规划，再葆有百折不挠的毅力去坚持，直至最终得以实现。

中国是一个发展中国家，基础差、投入少。人民对科技投入的成果期待是要能解决国家安全和经济发展的瓶颈问题。怀柔观测基地的发展，在基础研究上要攀高峰，并发展出满足国家战略需求的高技术，还要尽可能将这些高技术转化成高技术商品，从而推动“三位一体”的发展，我们称之为国家科研骨干单位发展的三根支柱。只有这样，国家和人民才能满意，我们的科技队伍也就能因此获得更好的工作保障和生存条件。

怀柔基地要继续强调科技的生命力就存在于大量的科技工作之中。因此，要高度重视科研第一线的工作，在人员培养、条件支持和资源保障、劳动待遇和运行权利等方面，都要向第一线倾斜。

怀柔观测基地的发展，还有一个需要强调的重要方面，那就是人才问题。卓越的领军将帅人才是关键，有了这样的人才，才会有卓越的成果、卓越的单位。这种人才，有广阔的视野而不狭隘，有敏锐的洞察力和预见性而不保守，能深入实际、埋头苦干而不夸夸其谈，有百折不挠、坚韧不拔的精神而不半途动摇。这也就是马克思论述的，或孟子所论述的人才。

作为一位老人，寄望新生代再创辉煌。

（作者系中国科学院院士）

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