“千眼天珠”，觀天逐日的國(guó)之重器

顏士州

2023年9月27日，我國(guó)空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)標(biāo)志性設(shè)備之一——圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡正式建成，它是目前全球規(guī)模最大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。

圓環(huán)陣建在海拔3820米的四川省甘孜州稻城縣噶通鎮(zhèn)，它由313部直徑6米的拋物面天線構(gòu)成，天線均勻分布在直徑為1千米的圓環(huán)上，因而被當(dāng)?shù)鼐用穹Q為“千眼天珠”。

監(jiān)測(cè)太陽(yáng)，守衛(wèi)地球

我們知道，太陽(yáng)是距離地球最近的恒星，它給居住在地球上的人類帶來(lái)光和熱，太陽(yáng)的活動(dòng)與地球息息相關(guān)。太陽(yáng)一旦猛烈活動(dòng)，將會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)大面積損毀，衛(wèi)星、雷達(dá)性能及導(dǎo)航精度都受到影響，高鐵短波通信中斷甚至無(wú)法運(yùn)行。如果太陽(yáng)打一個(gè)“噴嚏”，地球也很有可能“感冒”。

要想了解太陽(yáng)對(duì)地球的影響到底有多大，就要對(duì)太陽(yáng)以及它的能量傳播路徑進(jìn)行高質(zhì)量監(jiān)測(cè)，圓環(huán)陣由此應(yīng)運(yùn)而生。有了它，就能監(jiān)測(cè)太陽(yáng)的各種爆發(fā)活動(dòng)，還能監(jiān)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)暴進(jìn)入行星際的過(guò)程，這對(duì)于研究太陽(yáng)活動(dòng)的規(guī)律以及預(yù)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球的影響具有很大的作用。

朵朵“葵花”向太陽(yáng)

圓環(huán)陣是由313部天線有序排列而圍成的一個(gè)大圓環(huán)。每一根天線就像一只眼睛，從太空中捕捉著太陽(yáng)的射電信號(hào)。將這些天線巧妙地組合在一起，就形成了一個(gè)面積龐大的圓環(huán)狀的陣列，直徑6米的拋物線天線均勻分布在直徑為1千米的圓環(huán)上，圓環(huán)正中央矗立著一座高達(dá)100米的中心定標(biāo)塔。

每天清晨，當(dāng)太陽(yáng)冉冉升起時(shí)，太陽(yáng)光芒照亮了“千眼天珠”的每一根天線，圓形陣立即開(kāi)始工作，所有天線一起對(duì)準(zhǔn)中心定標(biāo)塔對(duì)焦校準(zhǔn)，捕捉太陽(yáng)的射電信號(hào)。這些信號(hào)再通過(guò)復(fù)雜的處理，開(kāi)始轉(zhuǎn)化為一組組數(shù)據(jù)，我們就能知道太陽(yáng)的能量及活動(dòng)情況了。當(dāng)太陽(yáng)升高后，它們會(huì)如同“向日葵”一樣對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，并跟隨著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行高質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，為科學(xué)家提供更多關(guān)于太陽(yáng)的信息。太陽(yáng)落山后，圓環(huán)陣又開(kāi)始進(jìn)行射電天文觀測(cè)，這些“眼睛”可觀測(cè)銀河系深處的脈沖星信號(hào)，這些信號(hào)通過(guò)處理，可形成一幅非常清晰的脈沖星圖像。

這種高分辨率成像技術(shù)完全能夠捕捉太陽(yáng)的細(xì)微變換，與傳統(tǒng)的觀測(cè)方法相比，它具有更高的靈敏度和更廣的頻率覆蓋范圍。

與現(xiàn)實(shí)環(huán)境較勁

設(shè)計(jì)圓環(huán)陣的目的是便于更好地觀測(cè)，那么如何科學(xué)觀測(cè)呢？313部天線和626條接收鏈路能同時(shí)工作嗎？如何讓它們的幅度和相位保持一致？

我們知道，單單一項(xiàng)技術(shù)并不復(fù)雜，但要保持一致并不輕松。畢竟自然環(huán)境總是在變化著，現(xiàn)實(shí)環(huán)境條件也無(wú)法達(dá)到絕對(duì)理想的狀態(tài)，這樣使得圓環(huán)陣在校準(zhǔn)時(shí)只能根據(jù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境條件進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。

圓環(huán)陣的場(chǎng)地那么大，它并非在平坦的平原上，最高處跟最低處地勢(shì)相差有30米，如此大的落差導(dǎo)致了中心塔無(wú)法建在標(biāo)準(zhǔn)的中心位置。其次，惡劣的大風(fēng)天氣時(shí)有發(fā)生，也會(huì)導(dǎo)致中心塔不停地晃動(dòng)，這樣連接在圓環(huán)陣各天線和中心塔之間的電纜線就會(huì)長(zhǎng)短不一……科研人員都要根現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行安裝校正。通過(guò)不斷地調(diào)試，圓環(huán)陣每天能夠監(jiān)測(cè)太陽(yáng)達(dá)8個(gè)小時(shí)，具備10個(gè)太陽(yáng)半徑的連續(xù)穩(wěn)定射電成像視角與頻譜觀測(cè)能力。

當(dāng)然，這只是開(kāi)始階段，后期圓環(huán)陣還要與貴州大山里的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡“中國(guó)天眼”等國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)展聯(lián)合觀測(cè)。這樣，我國(guó)有望在低頻射電巡天、脈沖星、快速射電暴和行星防御監(jiān)測(cè)預(yù)警等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。