作者:吴季 阎敬业 来源:光明日报 发布时间:2022/12/1 11:05:59
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“千眼天珠”,观天逐日在稻城

 

在四川省稻城县金珠镇的花海间,藏着一个由数百面白色反射面天线组成的巨大的圆环形望远镜阵列,圆环的正中心有一个约百米高的铁塔。这就是正在建设中的国家重大科技基础设施子午工程二期标志性设备之一——圆环阵太阳射电成像望远镜(DSRT)。它被当地居民称为“千眼天珠”,由中国科学院国家空间科学中心牵头建设,核心任务是实时监测地球空间天气事件的源头——太阳。

空间天气预报看太阳

太阳是离我们最近的恒星,给地球和人类带来了光和热,孕育了地球上的生命。但是它也有“打喷嚏”的时候——会发生爆发,强烈的太阳爆发会释放出100亿颗百万吨级原子弹的能量。如果爆发时抛射出来的带电粒子飞向地球,等离子体团携带的巨大能量将对地球的磁场、电离层、高层大气密度产生严重的影响。这些对地球空间环境产生扰动的事件叫做空间天气事件,会引起地球空间环境剧烈响应,而对地面和空间的高技术系统产生较大影响的事件叫做灾害性空间天气事件。

古时,人类是不太能感受到空间天气事件的。空间天气事件对人类的影响仅限于极光。对于中国人来说,因为我国地理纬度较低,磁纬度更低,基本上看不到极光。即使是在中国最北面的漠河,极光也是小概率事件。但是在中国的史书上也记录过极光事件。比如《旧唐书》中记载,在公元775年,“十二月丙子夜,东方月上有白气十余道,如匹帛,贯五车、东井、輿鬼、觜、参、毕、柳、轩辕,三更方后散。”白气十余道,如匹帛,只能用极光来解释。利用现代科学技术研究古树时发现,公元775年的碳14显著增加。太阳爆发的高能粒子与大气作用,会产生碳14,随着水汽循环进入树木,因此也许就是那一次极为强烈的空间天气事件产生了非常明亮的极光,还延伸到了长安所处的中纬度地区。空间天气领域著名的卡灵顿事件在中国古籍中也有记载,《栾城县志》祥异卷有“己未九年春三月壬辰,天狗过境,左旋入于东北,声如雷。秋八月癸卯夜,赤气起于西北,亘于东北,平明始灭。”咸丰己未年即1859年,秋八月癸卯夜即9月1日晚,此时是英国早上,时间上一致。这次事件看到了“赤气”,这应该是高能粒子与氧原子相互作用激发的红光。

随着科学技术的发展,空间天气事件对人类社会的影响就非常严重了,比如会导致天上的卫星出故障,电离层扰动会影响卫星导航定位的精度,磁场的变化会在地面电网、高铁等大环路导体中产生超强的感应电流,带来线路故障等。2022年2月,一次量级不高的地磁暴导致了高层大气密度增加,使美国空间探索公司(SpaceX)的一批“星链”卫星很快坠毁,其直接原因就是对空间天气的认识不到位,未能预报高层大气轨道密度变化。

如果我们不重视对空间天气事件的研究、预报和应对,一旦遇到这样非常极端的空间天气事件,人类社会的高技术设施可能会受到严重破坏,我们现在密切依赖于卫星的生活方式,可能也会遭到严重影响。而这些高技术系统的重建和恢复需要很长时间,要耗费大量的人力、物力、财力。

DSRT补上空间天气预报的短板

我们已经知道,空间天气的源头在太阳。但人类对太阳的磁场、耀斑和日冕物质抛射机理的认识还不是很清晰——日冕物质抛射会不会到达地球?如何影响地球空间天气?这些问题都需要深入研究。缺乏足够的观测数据成为研究和预报的最大掣肘,因此,当前空间天气的预报也不太准确。

人类对太阳的观测历史悠久,手段也比较丰富。不但有卫星上的高能X射线、紫外和可见光观测手段,也有地面上的可见光、红外以及毫米波和射电望远镜。但是低频段的观测能力却有缺失,比如150-450MHz频段只有法国在20世纪80年代建设的一个望远镜能够观测,其灵敏度和分辨率都远不能满足需求。此外,由于地球在旋转,这台射电望远镜并不能连续观测太阳,无法满足观测时区覆盖的要求。

圆环阵太阳射电成像望远镜(DSRT)补齐了这一短板。它可以观测太阳耀斑和日冕物质抛射过程产生的射电辐射,通过射电图像序列合成连续的视频,监测太阳喷发出来的这些物质的形成和演化,研究太阳爆发过程和机理,判断日冕物质抛射的速度和方向,这样就可以帮助科学家研究太阳爆发的规律和机制,分析日冕物质是否以及何时到达地球,预测是否会产生空间天气事件。

这个波段之所以重要,是因为日冕物质从太阳大气抛射进入行星际的过程中,激波驱动的射电辐射就在这个波段。在这个波段能够监测到距离太阳表面几个太阳半径的高日冕中发生的射电辐射,也是这个阶段决定了日冕物质抛射进入行星际的形态、结构和运动方向。因此,监测这个抛射的过程非常重要,可以为判断其行星际传播提供重要的初始条件,进而预测日冕物质是抛向地球方向,还是其他方向。

精巧的设计让太阳射电观测技术换代升级

射电望远镜的天线越大,空间分辨率越高。但是天线的大小不能光看物理尺寸,还要看电尺寸,也就是物理尺寸和观测波长之比。比如一个天线的物理孔径是10米,如果工作在10GHz,也就是0.03米的波长,它的电尺寸就是333.3个波长,所以是一个电尺寸很大的天线。但是,如果同样孔径的天线,工作在100MHz,波长为3米,它的电尺寸就是3.3个波长,是一个电尺寸较小的天线。地球距离太阳1.5亿公里远,从地球观测整个太阳的张角也只有32角分,比0.5度大一点,产生强烈太阳爆发的活动区尺寸约为20万公里,而太阳的直径是140万公里,如果想识别独立太阳活动区的爆发活动,需要至少获得全日面20×20个像素的图像,也就是大约1.6角分的空间分辨率。相比光学望远镜,这个分辨率要低得多,但对于射电望远镜,就需要电尺寸很大的孔径,根据波长计算,物理孔径就需要达到2公里。

DSRT天线阵的直径虽然只有1公里,但因为采用了综合孔径的成像方法,理论上可以将电尺寸加倍,天线的空间分辨率也提高一倍。什么是综合孔径呢?中国的FAST是世界上最大的单孔径射电望远镜,巨大的接收面积使其灵敏度远远超过其他射电望远镜。如果用FAST做成像观测,需要用特殊的主动反射面控制技术做漂移扫描,把感兴趣的天区扫一遍。但太阳射电活动十分复杂,逐点扫描不能同时获得全日面的射电信息。此外,做一个2公里的单孔径望远镜既不现实,也不必要。这就要采用综合孔径的成像方法——把一个巨大的镜头分解成很多小的孔径,每个小孔径都同步接收外界的信号,然后再把所有小孔径接收的信号加在一起,就等效为一个大孔径天线。太阳的辐射强度非常高,并不需要很高的观测灵敏度,满阵的“性价比”就不高了——可以拿掉很多小孔径,再通过一系列复杂的信号干涉处理来成像,仍然可实现大孔径的角度分辨率。拿掉很多小孔径的操作就叫稀疏化,利用稀疏化的小孔径成像的过程就叫综合孔径。例如,DSRT就拿掉了98.9%的小孔径,极大地降低了建设成本和工作量。综合孔径技术不但简化了系统,还能像照相机一样,按一下快门,就可以给整个视场拍个照,不再需要逐点扫描,这就解决了大视场同时监测的问题。

数学上,用天线阵列接收信号,然后通过信号处理来成像,就等效于用一个凸透镜来成像,本质上都是做了傅里叶变换。而无论是太阳还是其他真实世界的辐射源,它们的辐射能量都是实数,傅里叶变换有一个性质:实函数的傅里叶变换的幅度谱是偶函数,相位谱是奇函数。这就意味着我们只需要用一半干涉基线进行测量,对这些干涉测量值做个共轭处理,就可以得到另一半干涉基线的测量值,最终获取了完整的傅里叶变换数据。这就是DSRT用1公里的物理孔径就实现2公里孔径的角度分辨率的奥秘。

DSRT天线阵之所以采用圆环阵列构型,也是由综合孔径的具体实现方法——相关处理和图像反演决定的。

其一,是通过每对小天线相关处理,以获取完整的傅里叶分量的要求。相关处理时,把圆环上的每一个小天线与所有其他小天线分别配对,并将每一对小天线的接收信号相乘,然后累加一定的时间(相当于照相机的快门)来提高灵敏度。每一对小天线的间距矢量称为干涉基线,每条干涉基线的测量值就是这条基线的测量可见度。要想很好成像,干涉基线的分布就需要密集而均匀,圆环形阵列的干涉基线就是相当密集和均匀的。

其二,是图像反演的要求。受到天线、接收机和各种连接器和线缆加工精度的限制,小天线的幅度和相位一致性无法做得很好。特别是像DSRT这种空间尺度很大的阵列,望远镜硬件系统的一致性和稳定性通常都无法满足综合孔径成像的要求。直接用这样的望远镜拍照,就像用磨砂玻璃镜头去拍照,会导致图像模糊,甚至根本无法成像。这就需要用到综合孔径望远镜特有的单元一致性定标技术。国际上的其他望远镜都需要通过观测一个位置和亮度已知的天文源,来修正望远镜系统自身的误差。问题是,满足要求的天文源不是很多,对于大视场的低频望远镜来讲,更难找到这样的定标源。而且,这种用天文源定标的方法还会浪费宝贵的观测时间。DSRT基于特殊的圆环构型,在圆心建设了受控发射定标信号的定标塔,每个小天线都能无遮挡地接收定标信号,相当于有一个随时可用、自主可控的定标源。通过特殊设计定标流程和算法,可以把“镜头”磨得亮亮的,实现精确的成像处理。

国际上,采用这种技术专门观测太阳的射电望远镜有法国南希天文台、日本野边山天文台、俄罗斯西伯利亚射电天文台,以及中国国家天文台在内蒙古明安图的射电望远镜。另外,美国、印度、智利也有主要用于天文观测、偶尔用于太阳观测的射电天文台。它们采用的都是比较传统的技术,在图像质量或实时成像能力等方面,都碰到了一些困难。

2022年3月,DSRT完成了一套16部天线的试验系统的搭建,成功地获取了高质量的太阳射电图像和频谱,验证了总体方案。虽然试验系统规模只有法国同频段系统的1/3,但获取的太阳射电图像质量明显更好。2022年11月13日,建设者们完成了313个天线的系统集成,正式进入联调联试阶段。预计在2023年6月完成系统调试,转入试运行阶段,全面投入科学观测。而由于DSRT独有的大视场高质量成像能力,我们也会在太阳落山后,配合射电天文学家开展夜天文观测,充分发挥重大科技基础设施平台的效能。

应该说,DSRT是太阳射电观测领域的更新换代产品,将是世界上同频段成像质量最高的太阳射电天文台,将为太阳物理、空间天气研究和预报提供非常可靠和实时的观测数据。

(作者:吴季 阎敬业,均系中国科学院国家空间科学中心研究员)

 
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