全球規(guī)模最大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡正式建成，能監(jiān)測太陽“打噴嚏”

鳥瞰“圓環(huán)陣。四川日?qǐng)?bào)記者 徐浩煊 攝

太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡。 本網(wǎng)資料庫圖

太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡一角。 本網(wǎng)資料庫圖

◎四川日?qǐng)?bào)記者 徐浩煊 吳聃 文露敏

飛機(jī)從稻城亞丁機(jī)場起飛，右側(cè)舷窗外的地面隱現(xiàn)一個(gè)小圓點(diǎn)，因?yàn)樵煨吞厥猓?dāng)?shù)厝朔Q“千眼天珠”。小圓點(diǎn)其實(shí)一點(diǎn)也不“小”——在海拔3820米的甘孜州稻城縣噶通鎮(zhèn)，313部直徑6米的天線，均勻地分布在直徑1公里的圓環(huán)上。它的正式名字叫圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡（下稱“圓環(huán)陣”），是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網(wǎng)（子午工程二期）的標(biāo)志性設(shè)備之一，也是目前已建成的全球規(guī)模最大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。其任務(wù)主要是對(duì)太陽和日地空間傳播鏈條進(jìn)行高質(zhì)量監(jiān)測，監(jiān)測太陽“打噴嚏”。

9月27日，記者從中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心獲悉，“圓環(huán)陣”順利通過工藝測試，正式建成。

為何要建？為科學(xué)家播報(bào)空間天氣情況

作為離地球最近的恒星，太陽為我們帶來了光和熱。但太陽的情況并非一成不變，黑子、耀斑、日冕物質(zhì)拋射等太陽活動(dòng)此起彼伏，這也是地球空間天氣事件的源頭——簡而言之，太陽打個(gè)“噴嚏”，包括地球在內(nèi)的太陽系各大行星就容易“感冒”。

“別小看這個(gè)‘噴嚏’。強(qiáng)烈的太陽活動(dòng)爆發(fā)釋放出的能量，相當(dāng)于100億顆百萬噸級(jí)核彈同時(shí)爆炸。”“圓環(huán)陣”負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員閻敬業(yè)告訴記者,一旦這些能量沖向地球，會(huì)對(duì)空間和地面的高技術(shù)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。

他舉例說，空間天氣活動(dòng)中的地磁感應(yīng)電流，會(huì)導(dǎo)致高鐵、電網(wǎng)、輸油管線等高技術(shù)系統(tǒng)損毀，電離層擾動(dòng)則會(huì)影響無線電通信信號(hào)的穩(wěn)定性和可使用的頻帶范圍，影響衛(wèi)星導(dǎo)航的精度，甚至導(dǎo)致通信和導(dǎo)航設(shè)施失效。這些能量還會(huì)影響航天發(fā)射，據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約一半的航天器故障與空間天氣有關(guān)。

這時(shí)，“千眼天珠”就派上用場了——它像一部超大“射電相機(jī)”，能給科學(xué)家播報(bào)空間天氣情況，為更好地應(yīng)對(duì)上述影響提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

為何成“環(huán)”？減少“拍照”時(shí)細(xì)節(jié)的遺失

雖然全球監(jiān)測太陽“打噴嚏”的設(shè)備不少，有Y字形、螺旋形等多種形狀，但做成“圓環(huán)陣”的僅此一個(gè)。

“太陽的細(xì)節(jié)非常豐富，我們需要非常密集的‘相機(jī)陣’，才能減少‘拍照’時(shí)細(xì)節(jié)的遺失，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量成像。”“圓環(huán)陣”副主任設(shè)計(jì)師、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心副研究員武林介紹，由于太陽射電特征快速變化，只有用更大口徑鏡頭拍下更廣的照片，才能更好地分析太陽活動(dòng)。

但射電望遠(yuǎn)鏡單個(gè)鏡頭口徑很難做大。因此，科學(xué)家通過定標(biāo)的方法，讓每個(gè)“小鏡頭”幅度和相位保持一致，加上后期信號(hào)處理，就能等效成單口徑106米的望遠(yuǎn)鏡，“圓環(huán)陣”計(jì)劃應(yīng)運(yùn)而生。313部天線均勻分布在直徑為1公里的圓環(huán)上，規(guī)模為當(dāng)前全球最大。

與光學(xué)相機(jī)類似，“圓環(huán)陣”使用前也要先校準(zhǔn)。但要讓313部天線一致將“腦袋”對(duì)準(zhǔn)太陽并非易事。為了保證質(zhì)量和工期，“圓環(huán)陣”采取“三步走”研制方案，即“2單元技術(shù)摸底、16單元成像實(shí)驗(yàn)、313單元系統(tǒng)建設(shè)”。

“我們很有自信！‘圓環(huán)陣’建成16單元時(shí)，觀測效果就已經(jīng)超過國外的同類型設(shè)備。”武林告訴記者。

如何運(yùn)用？未來將開啟星際“聯(lián)手”

2022年3月起，16單元成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開始獲取太陽成像數(shù)據(jù)，迄今已積累了大量太陽活動(dòng)圖像和頻譜數(shù)據(jù)。到今年7月，“圓環(huán)陣”已具備連續(xù)穩(wěn)定高質(zhì)量監(jiān)測太陽活動(dòng)的能力，脈沖星成像等射電天文觀測能力也得到初步驗(yàn)證。

“監(jiān)測太陽每天只需要8小時(shí)。”在閻敬業(yè)的規(guī)劃中，太陽“下班”后，“圓環(huán)陣”還有望與子午工程的其它監(jiān)測設(shè)備開啟星際“聯(lián)手”，在低頻射電巡天、脈沖星、快速射電暴和行星防御監(jiān)測預(yù)警等領(lǐng)域發(fā)揮作用。“比如與‘中國天眼’及‘中國復(fù)眼’雷達(dá)陣列、三亞非相干散射雷達(dá)等展開聯(lián)合觀測，能更好地發(fā)揮國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的效能。”閻敬業(yè)說。

為滿足國家在空間天氣、射電天文等領(lǐng)域的重大需求，9月28日，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心依托中國科學(xué)院成都分院，在成都正式成立了射頻科學(xué)與技術(shù)中心（又稱“π中心”）。

未來，“π中心”將保障“圓環(huán)陣”的可靠運(yùn)行和科學(xué)產(chǎn)出，開展射頻科學(xué)與技術(shù)的研究、實(shí)驗(yàn)及科技成果轉(zhuǎn)化，成為空間天氣、射電天文等領(lǐng)域的科學(xué)研究中心、學(xué)術(shù)交流中心、技術(shù)開發(fā)中心及人才培養(yǎng)中心。