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閻敬業(yè)

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心

稻城太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡(千眼天珠)是“十三五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程(二期)的標(biāo)志性設(shè)備，位于四川稻城。2023 年9 月27 日，千眼天珠正式通過(guò)工藝驗(yàn)收。試運(yùn)行以來(lái)，已積累了大量獨(dú)特、獨(dú)有的射電觀測(cè)數(shù)據(jù)，正在并行開(kāi)展多項(xiàng)研究，涵蓋太陽(yáng)物理、空間天氣、射電天文和行星防御等學(xué)科方向。由于其巨大的規(guī)模和先進(jìn)的技術(shù)，這部超級(jí)射電相機(jī)產(chǎn)生了很大的學(xué)術(shù)影響，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和公眾廣泛關(guān)注。

充滿現(xiàn)代科技感的千眼天珠其實(shí)并不神秘，本文簡(jiǎn)要介紹千眼天珠的研究背景、科學(xué)目標(biāo)、觀測(cè)原理等基礎(chǔ)知識(shí)，推動(dòng)大科學(xué)裝置服務(wù)科普等社會(huì)公益事業(yè)發(fā)展。

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進(jìn)入太空，需要關(guān)注空間天氣預(yù)報(bào)

1957 年10 月4 日，前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆地球人造衛(wèi)星“斯普特尼克1 號(hào)”，邁出了人類進(jìn)入太空的第一步。

為了直接測(cè)量來(lái)自星空深處的宇宙線粒子，前蘇聯(lián)科學(xué)家謝爾蓋·韋爾諾夫領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)研制了一根蓋革-繆勒管，以測(cè)量衛(wèi)星遭受的輻射強(qiáng)度。斯普特尼克2 號(hào)衛(wèi)星發(fā)射升空后不到3 個(gè)月，剛剛組建的美國(guó)國(guó)家航空和航天局(NASA)發(fā)射了探險(xiǎn)者1號(hào)衛(wèi)星，攜帶了詹姆斯·范艾倫團(tuán)隊(duì)研制的蓋革計(jì)數(shù)器。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都發(fā)現(xiàn)了計(jì)數(shù)率異常，但范艾倫團(tuán)隊(duì)意識(shí)到這是一種存在于地球空間的自然現(xiàn)象，在此之前沒(méi)有人預(yù)測(cè)過(guò)地球磁場(chǎng)捕獲高能粒子會(huì)形成輻射帶，因此地球空間輻射帶也被稱為范艾倫輻射帶。斯普特尼克2 號(hào)雖然首先探測(cè)到輻射帶粒子，但蘇聯(lián)科學(xué)家錯(cuò)誤地認(rèn)為計(jì)數(shù)值波動(dòng)是受太陽(yáng)耀斑的影響，錯(cuò)失了首先發(fā)現(xiàn)輻射帶的機(jī)會(huì)。這也標(biāo)志著人類早期航天活動(dòng)就開(kāi)啟了一門新的學(xué)科——空間物理學(xué)。

空間物理學(xué)主要利用空間飛行器來(lái)直接探測(cè)和研究地球空間、日地空間和行星際空間中的物理過(guò)程，是空間科學(xué)中發(fā)展最早的一個(gè)分支。空間物理包羅萬(wàn)象，主要研究等離子體、電離層、磁層、輻射帶、太陽(yáng)風(fēng)等自然現(xiàn)象。

空間天氣相對(duì)而言就更貼近實(shí)用。美國(guó)在1994 年11 月將“空間天氣”定義為：空間天氣系指太陽(yáng)上和太陽(yáng)風(fēng)、磁層、電離層和熱層中影響空間和地面技術(shù)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行及危害人類健康和生命的空間環(huán)境擾動(dòng)事件。同時(shí)，空間天氣學(xué)還研究各種空間天氣效應(yīng)，以及規(guī)避和減輕空間天氣災(zāi)害的方法和途徑。一般認(rèn)為，空間天氣學(xué)是一門應(yīng)用科學(xué)，但更確切地說(shuō)，它是由基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)交叉而形成的一門科學(xué)。

太陽(yáng)劇烈的爆發(fā)活動(dòng)可能會(huì)引起災(zāi)害性空間天氣事件，不但會(huì)危害衛(wèi)星、飛船等太空平臺(tái)的安全運(yùn)行，也可能危害電網(wǎng)和高鐵運(yùn)行、短波通信、導(dǎo)航定位、雷達(dá)預(yù)警等地面高技術(shù)系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在軌衛(wèi)星故障有一半左右是受到空間天氣事件的影響。1989 年加拿大魁北克省的電網(wǎng)遭到空間天氣事件的破壞，損失達(dá)10 億美元。2022 年2 月3 日，一次不大的地磁暴事件導(dǎo)致太空探索(SpaceX)公司的近40 顆星鏈衛(wèi)星隕落。隨著高技術(shù)的發(fā)展，人類的生產(chǎn)生活和太空探索都越來(lái)越依賴于空間天氣環(huán)境，這也意味著空間天氣的探測(cè)-研究-預(yù)報(bào)-應(yīng)用鏈條將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

太陽(yáng)活動(dòng)是地球空間天氣擾動(dòng)的源頭，談到空間天氣，就避不開(kāi)太陽(yáng)風(fēng)暴。太陽(yáng)最劇烈的爆發(fā)活動(dòng)包括耀斑和日冕物質(zhì)拋射(CME)等。

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子午工程，監(jiān)測(cè)空間天氣因果過(guò)程

太陽(yáng)活動(dòng)是地球?yàn)?zāi)害性空間天氣之“因”，地磁暴等近地空間環(huán)境響應(yīng)是太陽(yáng)風(fēng)暴與地球空間環(huán)境相互作用之“果”。為了研究日地空間天氣因果鏈，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程(二期)專門建設(shè)了一鏈、三網(wǎng)、四聚焦的整體監(jiān)測(cè)體系(圖1)。太陽(yáng)行星際監(jiān)測(cè)鏈(一鏈)，用來(lái)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)暴-日冕活動(dòng)、日地行星際傳播這一關(guān)鍵鏈條；電離層監(jiān)測(cè)網(wǎng)、中高層大氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)、地磁監(jiān)測(cè)網(wǎng)(三網(wǎng))用來(lái)監(jiān)視地球空間環(huán)境的擾動(dòng)；北方中緯、青藏高原、海南低緯、極區(qū)高緯這四個(gè)區(qū)域(四聚焦)實(shí)現(xiàn)對(duì)一些具備特殊空間天氣現(xiàn)象以及對(duì)中國(guó)區(qū)域影響較大的重點(diǎn)地區(qū)的監(jiān)測(cè)。

圖1子午工程二期“一鏈、三網(wǎng)、四聚焦”整體監(jiān)測(cè)框架

其中，太陽(yáng)行星際監(jiān)測(cè)鏈關(guān)注的是太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)及其行星際傳播規(guī)律。由于太陽(yáng)風(fēng)暴從爆發(fā)到進(jìn)入行星際，以及向地球傳播的過(guò)程中，伴隨著復(fù)雜的物理過(guò)程，不同物理過(guò)程往往都會(huì)輻射出不同頻率的電磁波。因此，子午工程二期的“一鏈”利用不同頻率的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡可以監(jiān)測(cè)不同日面距離的爆發(fā)和演化過(guò)程。

稻城圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡是子午工程二期的標(biāo)志性監(jiān)測(cè)設(shè)備，專門用于監(jiān)測(cè)亮度、時(shí)間和空間三個(gè)維度都高度動(dòng)態(tài)變化的高日冕活動(dòng)。

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千眼天珠，監(jiān)視太陽(yáng)風(fēng)暴的利器

太陽(yáng)劇烈的爆發(fā)活動(dòng)往往會(huì)伴隨有射電輻射，探測(cè)射電輻射的強(qiáng)度、頻率、極化和空間位置，對(duì)于理解爆發(fā)過(guò)程、物理機(jī)制和傳播演化規(guī)律具有不可替代的作用。CME的傳播和演化過(guò)程中，等離子體團(tuán)會(huì)壓縮前方的粒子形成激波，激波會(huì)加速日冕和太陽(yáng)風(fēng)中的自由電子產(chǎn)生射電輻射，輻射頻率隨背景自由電子的密度減小而降低。

因此，與CME傳播和演化密切相關(guān)的Ⅱ型射電暴具有獨(dú)特的頻譜漂移特征。在已知背景自由電子密度的情況下，測(cè)量Ⅱ型射電暴源區(qū)的位置、頻率和頻率漂移率，就可以計(jì)算CME的日心距、傳播方向和運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而預(yù)測(cè)CME在行星際空間的三維傳播和擴(kuò)張過(guò)程，提高CME對(duì)地影響有效性的預(yù)報(bào)精度。

圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡(DART)部署在四川省甘孜州稻城縣(圖2)。

圖2建設(shè)中的“千眼天珠”

DART 由313 個(gè)直徑6 米的拋物面天線和100米高的中心定標(biāo)塔構(gòu)成，天線均勻分布在直徑為1千米的圓環(huán)上。密集基線可以高質(zhì)量地對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行干涉成像，千眼天珠擁有約5 萬(wàn)條瞬時(shí)干涉基線，是目前全球規(guī)模最大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。

一般而言，射電爆發(fā)的頻率是局地等離子密度的函數(shù)，密度越低，輻射頻率也就越低。DART重點(diǎn)監(jiān)測(cè)CME 進(jìn)入行星際的過(guò)程，因此選在150~450MHz頻段(對(duì)應(yīng)0.1~1 Rs的日面距離)監(jiān)視高日冕的射電爆發(fā)活動(dòng)，對(duì)于預(yù)測(cè)CME在行星際的傳播及其對(duì)地球空間天氣的影響具有重要意義。DART采用了獨(dú)特的圓環(huán)陣列構(gòu)型和原創(chuàng)的單通道多環(huán)絕對(duì)相位定標(biāo)技術(shù)，幅度/相位的實(shí)時(shí)定標(biāo)精度達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，是國(guó)際上同頻段成像質(zhì)量最高的射電望遠(yuǎn)鏡。

日出而作，日落而息，DART從日升開(kāi)始工作，到日落結(jié)束觀測(cè)。為了充分發(fā)揮設(shè)備能力，除了白天8 小時(shí)觀測(cè)太陽(yáng)，DART 作為一臺(tái)高性能通用型射電成像望遠(yuǎn)鏡，還在夜間加班，開(kāi)展了一系列新觀測(cè)，獲取了一批獨(dú)特的觀測(cè)數(shù)據(jù)，推動(dòng)了太陽(yáng)物理、空間天氣、射電天文、行星防御等多學(xué)科交叉研究。

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綜合孔徑，超越單天線分辨極限

手機(jī)拍照，只需要一個(gè)小攝像頭。要想在射電頻段拍照，就要用到極具科技感的天線陣列。看起來(lái)沒(méi)有任何相似之處的兩種“相機(jī)”，之所以能夠成像，是因?yàn)槎咴诒举|(zhì)上都具有對(duì)電磁波的聚焦能力。

4.1光學(xué)成像原理

人眼就是一種光學(xué)相機(jī)(圖3)。外界的每個(gè)“點(diǎn)光源”，都會(huì)向一定角度范圍內(nèi)發(fā)射光線。這些光線通過(guò)人眼中的晶狀體，就聚焦到視網(wǎng)膜上的某個(gè)點(diǎn)，人就看到了點(diǎn)光源的“像”。成像過(guò)程中，具有一定“口徑”的晶狀體發(fā)揮了“聚焦”的作用，將照射到晶狀體表面上的光線聚集到像平面上的一個(gè)點(diǎn)，這樣眼睛就看到了這個(gè)點(diǎn)光源的位置、亮度和顏色(波長(zhǎng))。

圖3人眼成像原理圖

光學(xué)相機(jī)的角度分辨率主要受瑞利判據(jù)限制，由波長(zhǎng)歸一化(口徑/波長(zhǎng))的鏡頭口徑，即電尺寸決定。例如，人眼的理論角分辨率約為20 角秒，而2.4米口徑的哈勃衛(wèi)星的角度分辨率約為0.05角秒。

增加口徑不僅能提高角度分辨率，而且能搜集更多的光子，也就具有更高的靈敏度，能看到更暗弱的光源。

4.2單口徑射電望遠(yuǎn)鏡

射電望遠(yuǎn)鏡的成像原理跟光學(xué)成像沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，也需要利用更大的口徑實(shí)現(xiàn)更高的角分辨率，看到更暗弱的目標(biāo)。

劉慈欣著名的科幻小說(shuō)《三體》就想象有一部巨大的“紅岸基地”雷達(dá)，能夠接收幾光年以外三體人發(fā)射電磁波。

目前國(guó)際上最大口徑的單天線是中國(guó)天眼(圖4)，大鍋的口徑為500 米，有效接收口徑約300米，靈敏度全球最高，相同頻率下的單天線角度分辨率在國(guó)際上遙遙領(lǐng)先，發(fā)現(xiàn)了一大批脈沖星和快速射電暴，取得了一大批重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

圖4 左圖：中國(guó)天眼(FAST)；右圖：千眼天珠(DART)

然而，對(duì)于太陽(yáng)這樣高度動(dòng)態(tài)的射電源，單口徑天線逐點(diǎn)掃描的觀測(cè)方式不再適用，需要一種大視場(chǎng)、高分辨率、同時(shí)監(jiān)視全日面的高幀頻拍照觀測(cè)機(jī)制。

4.3綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡

望遠(yuǎn)鏡的口徑和角分辨率成比例，口徑越大，角分辨率越高。南仁東老師帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)找了十幾年，才找到一個(gè)合適的灶臺(tái)，安放FAST這口500米的大鍋。

要想找到更大口徑的天然灶臺(tái)，難度是非常大的。要想在平地上挖個(gè)500 米的灶臺(tái)，據(jù)估算投資需要數(shù)十億。因此，天文專家認(rèn)為FAST 的500 米口徑差不多就到極限了，很難做出更大口徑的單天線望遠(yuǎn)鏡。

如何才能突破單天線望遠(yuǎn)鏡的口徑限制，是實(shí)現(xiàn)高分辨率探測(cè)的核心問(wèn)題。

受楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，邁克耳孫和皮斯首先在光學(xué)領(lǐng)域采用了干涉技術(shù)提高角分辨率。他們使用兩組鏡片，將入射的星光通過(guò)兩條獨(dú)立的路徑(m1→m2, m3→m4)折射到像平面，被稱為二元干涉儀(圖5)。

圖5 (a)邁克耳孫-皮斯恒星干涉儀原理圖；(b)雙反射鏡干涉條紋

當(dāng)兩個(gè)光路的光程差等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍，光波就同相疊加，形成光強(qiáng)度極大值；當(dāng)光程差等于半波長(zhǎng)，光波就反相對(duì)消，形成光強(qiáng)度的極小值。這樣在像平面上就形成了明暗交替的條紋，被稱為干涉條紋。

如果光源是理想點(diǎn)源且輻射單頻信號(hào)，兩路光波就能完美地同相疊加和反相對(duì)消，此時(shí)條紋的光強(qiáng)極大值等于兩倍光波強(qiáng)度，極小值等于零；如果光源有一定空間結(jié)構(gòu)(擴(kuò)展源)，或者接收帶寬較大，光波不能理想對(duì)消，極小值就不等于零。

為了表征條紋的相對(duì)幅度，邁克耳孫定義了條紋可見(jiàn)度函數(shù)：

可見(jiàn)度函數(shù)=(極大值-極小值)/(極大值+極小值)。

根據(jù)這一定義，當(dāng)極小值等于0，則可見(jiàn)度等于1，也就意味著恒星角直徑遠(yuǎn)小于條紋寬度，根據(jù)條紋寬度就可以限制恒星直徑的上限。

基于這樣的認(rèn)識(shí)，他們用干涉技術(shù)測(cè)量了大角星和參宿四等距離較近的恒星，能夠獲得非常高的角分辨率。

射電天文學(xué)家首先意識(shí)到射電輻射場(chǎng)和光學(xué)輻射場(chǎng)的本質(zhì)是相同，光學(xué)干涉測(cè)量的實(shí)踐為射電干涉測(cè)量理論的發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

干涉條紋在像平面上呈現(xiàn)周期震蕩特征，震蕩的頻率表征空間域的明暗分布特征。用一個(gè)二元干涉儀，可以測(cè)量空間域圖像的一個(gè)明暗起伏的頻率。二元干涉儀兩個(gè)鏡片的距離(基線)越大，測(cè)量的條紋頻率就越高。因此，基線越長(zhǎng)，可以測(cè)量的空間頻率越高，也就可以反映空間域亮度分布的小尺度結(jié)構(gòu)特征；基線越短，測(cè)量的空間頻率越低，反映的是空間域亮度分布的較大尺度結(jié)構(gòu)特征。因此，一條基線測(cè)量的可見(jiàn)度幅度和相位對(duì)應(yīng)于空間頻率域一個(gè)采樣點(diǎn)。如果能在空間頻率域采集到很多采樣點(diǎn)，就可以通過(guò)傅里葉變換反演空間域的圖像。

受光學(xué)二元干涉儀啟發(fā)，劍橋大學(xué)射電天文學(xué)教授馬丁·賴爾在20 世紀(jì)40 年代中期發(fā)明了射電波段的二元干涉儀，從而大大提高了測(cè)量射電源位置的精度。此后，他又提出了綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)思想，用若干單元天線構(gòu)成陣列，單元天線兩兩進(jìn)行干涉，測(cè)量不同頻率的可見(jiàn)度數(shù)據(jù)，再通過(guò)反演算法進(jìn)行處理，成功獲取了射電源圖像。

綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的誕生開(kāi)辟了射電天文學(xué)的新紀(jì)元，馬丁·賴爾也因?yàn)檫@一重大貢獻(xiàn)，榮獲了1974年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

此后，世界各地建設(shè)了多臺(tái)套綜合孔徑成像望遠(yuǎn)鏡。陣列規(guī)模從幾個(gè)天線到二百余部天線(俄羅斯十字陣)，觀測(cè)頻率從數(shù)十MHz 到約1 THz(ALMA)，陣列尺寸從數(shù)米到幾十萬(wàn)千米(俄羅斯Radio-Astron 衛(wèi)星)，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了射電天文、太陽(yáng)物理、對(duì)地遙感等很多學(xué)科。經(jīng)過(guò)近80 年的發(fā)展，綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡以其復(fù)雜的系統(tǒng)工程、極致的技術(shù)要求、精密的分析方法，以及強(qiáng)大的觀測(cè)能力，已成為空間科學(xué)和天文領(lǐng)域頂級(jí)的科研裝備之一，正在發(fā)揮著不可替代的作用。

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千眼天珠，稻城圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡

千眼天珠部署于四川省甘孜州稻城縣(東經(jīng)100.246°，北緯29.011°)。針對(duì)高度動(dòng)態(tài)的太陽(yáng)觀測(cè)需求，設(shè)計(jì)了313 天線單元的巨型陣列，采用綜合孔徑成像技術(shù)，兼顧大視場(chǎng)、高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍等特殊需求，整個(gè)系統(tǒng)采用了獨(dú)特的圓環(huán)陣列構(gòu)型和中心定標(biāo)總體方案。

5.1為什么采用圓環(huán)陣列

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡通過(guò)納米級(jí)精度的鏡面加工工藝實(shí)現(xiàn)光線的聚焦，DART射電陣列要求的形面精度只需要達(dá)到毫米級(jí)。盡管如此，無(wú)論是天線加工、立柱安裝，還是模擬信號(hào)處理、光鏈路傳輸，造成的誤差都很難控制到分米級(jí)。野外設(shè)備隨著環(huán)境溫度變化還會(huì)導(dǎo)致相位漂移，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)器件老化也會(huì)導(dǎo)致相位漂移。總而言之，即便每個(gè)天線都可以加工得非常精確，運(yùn)行過(guò)程中也存在各種誤差。如果不進(jìn)行修正，就會(huì)像光學(xué)鏡頭被污染一樣，導(dǎo)致成像性能惡化，甚至無(wú)法成像。

射電陣列中，測(cè)量每個(gè)天線的鏈路幅度相位一致性和漂移的過(guò)程被稱為定標(biāo)；根據(jù)定標(biāo)結(jié)果，修正幅度相位誤差的過(guò)程稱為標(biāo)定。

如果有一個(gè)等幅同相的電磁波信號(hào)(定標(biāo)信號(hào))同時(shí)照射所有天線，理想望遠(yuǎn)鏡輸出的所有干涉可見(jiàn)度數(shù)據(jù)也應(yīng)具有等幅同相的特征。非理想的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的幅度相位誤差都會(huì)體現(xiàn)為定標(biāo)信號(hào)的可見(jiàn)度數(shù)據(jù)的幅度相位差異，修正這些差異，就實(shí)現(xiàn)了陣列天線的標(biāo)定。

稻城望遠(yuǎn)鏡采用圓環(huán)陣列構(gòu)型，就可以在中心定標(biāo)塔頂部架設(shè)一部定標(biāo)天線，從定標(biāo)天線發(fā)出的射電信號(hào)，經(jīng)歷大致相同的空間距離到達(dá)每個(gè)天線，并且所有天線都可以不受遮擋地接收定標(biāo)信號(hào)。如果進(jìn)一步精確測(cè)量每個(gè)天線的坐標(biāo)，并且修正空間傳播距離的微小差異，就可以保證每個(gè)天線接收到定標(biāo)信號(hào)的一致性。

因此，圓環(huán)陣列構(gòu)型和中心定標(biāo)總體方案，可以提供一種可控的高精度定標(biāo)手段，可以隨時(shí)根據(jù)需要“擦拭鏡頭”，為高質(zhì)量成像觀測(cè)提供了關(guān)鍵保證。

5.2為什么選在稻城

(1) 寧?kù)o電磁環(huán)境

陣列望遠(yuǎn)鏡占地面積大，射電探測(cè)靈敏度極高，容易受到電磁干擾的影響。因此，DART選址的要求包括地勢(shì)平坦開(kāi)闊，電磁環(huán)境干凈。

中國(guó)東部平坦開(kāi)闊之地甚多，但一方面寸土寸金，低成本的科研儀器很難負(fù)擔(dān)天價(jià)的土地成本；另一方面，東部城市密集，電磁環(huán)境復(fù)雜，也難以滿足高靈敏度觀測(cè)的需求。

也正是因此，F(xiàn)AST 選址工作聚焦在喀斯特地貌，潛在的“灶臺(tái)”比較多，電磁環(huán)境也比較干凈。

千眼天珠選址也類似，需要找尋群山中的開(kāi)闊盆地，既便于陣列天線的安裝調(diào)試，又能靠群山遮擋，提高比較好的電磁環(huán)境(圖6)。

圖6較為理想的“盆”型地貌

稻城地處青藏高原過(guò)渡帶，金珠鎮(zhèn)所在地附近多山，又恰好有一片較為開(kāi)闊的平地，地理結(jié)構(gòu)恰好像個(gè)“盆”，完全能夠滿足天線陣列架設(shè)和電磁環(huán)境的要求。

(2) 較低的緯度

DART 的主要科學(xué)目標(biāo)是觀測(cè)太陽(yáng)，站址的緯度越低，觀測(cè)的效果越好。這就像人眼在正視目標(biāo)的時(shí)候，看得最清楚。如果緯度較高，就像用余光觀測(cè)，仍然能看，但是成像效果會(huì)變差。這個(gè)比喻并不準(zhǔn)確，但大致效果類似。

雖然新疆、青海等地也有不少地勢(shì)平坦，電磁環(huán)境也不錯(cuò)的地方，但緯度偏高，會(huì)影響成像觀測(cè)的效果。

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科學(xué)目標(biāo)

6.1太陽(yáng)射電觀測(cè)

白天8小時(shí)，DART將持續(xù)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)。

從頻譜結(jié)構(gòu)劃分，太陽(yáng)射電爆發(fā)結(jié)構(gòu)包括5 種類型，表征太陽(yáng)大氣中的不同物理過(guò)程。一般認(rèn)為Ⅱ型射電暴是由太陽(yáng)爆發(fā)所驅(qū)動(dòng)激波處加速的高能電子輻射產(chǎn)生，輻射頻率由當(dāng)?shù)氐牡入x子體振蕩頻率決定。根據(jù)日冕電子密度模型，DART觀測(cè)頻段150~450 MHz所對(duì)應(yīng)的日面高度約0.1~1 Rs(太陽(yáng)半徑)。

然而，2024 年5 月27 日觀測(cè)到的一例射電爆發(fā)事件，射電源的傳播距離達(dá)到5 個(gè)太陽(yáng)半徑，挑戰(zhàn)了Ⅱ型暴的傳統(tǒng)解釋機(jī)制。

自2021 年底，DART 實(shí)驗(yàn)陣列(16 單元)建成以來(lái)，已積累了大量觀測(cè)數(shù)據(jù)，并為科學(xué)研究用戶提供了數(shù)十例獨(dú)特、獨(dú)有的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

DART 的密集陣列和高精度定標(biāo)能力，使得DART成為高日冕監(jiān)測(cè)的利器，將在太陽(yáng)物理和空間天氣研究領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重大的作用。

6.2低頻射電巡天

為了實(shí)現(xiàn)中心定標(biāo)，DART 的單元天線采用了三軸(赤經(jīng)、赤緯和水平)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，雖然最優(yōu)的成像指向是天頂，但仰角大于15 度都可以成像；313 部6米口徑天線的總接收面積與一部100 米口徑的單天線相當(dāng)，具有強(qiáng)大的集光能力，因此靈敏度很高；陣列口徑1000 米使得成像的角分辨率很高，約為1.6角分；先進(jìn)的實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)使得成像積分時(shí)間在5毫秒至數(shù)十秒范圍內(nèi)可調(diào)。

這些特點(diǎn)使得DART 在低頻高質(zhì)量巡天方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

DART的大視場(chǎng)成像探測(cè)能力在搜索長(zhǎng)周期脈沖星方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，最大瞬時(shí)視場(chǎng)可達(dá)200平方度(圖7)。自2024 年2 月開(kāi)啟低頻射電巡天觀測(cè)以來(lái)，已發(fā)現(xiàn)一例長(zhǎng)周期脈沖星，并發(fā)現(xiàn)一例已熄滅、后又重新閃爍的長(zhǎng)周期脈沖星。這些發(fā)現(xiàn)表明，DART有望在長(zhǎng)周期脈沖星搜索這一新興前沿領(lǐng)域發(fā)揮主力裝備的作用。

圖7 DART的可觀測(cè)天區(qū)范圍

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回顧和展望

歷經(jīng)3年的建設(shè)，DART從圖紙變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

從方案設(shè)計(jì)到運(yùn)行調(diào)試，先后有約300 名科研人員為DART 研制直接貢獻(xiàn)了力量。骨干團(tuán)隊(duì)來(lái)自國(guó)家空間科學(xué)中心、中國(guó)電科39 所和16 所、北京耐數(shù)電子技術(shù)有限公司(普源精測(cè))、石家莊新元電子技術(shù)有限公司、廣州高科中實(shí)通訊技術(shù)有限公司、西安開(kāi)容電子技術(shù)有限公司等單位。

中國(guó)科學(xué)院成都分院和四川省各級(jí)政府部門為項(xiàng)目選址和建設(shè)提供了有力支持。

回顧過(guò)去，科學(xué)-技術(shù)-工程全鏈路融合，科研-管理互為支撐，使得DART在建設(shè)速度(1年設(shè)計(jì)、1年驗(yàn)證、1 年建設(shè))、投資效率(設(shè)備投資僅1 億元)、數(shù)據(jù)質(zhì)量(同頻段成像質(zhì)量最高)幾個(gè)方面都實(shí)現(xiàn)了重大突破。經(jīng)過(guò)半年多的試運(yùn)行，在太陽(yáng)觀測(cè)、射電天文等領(lǐng)域正在陸續(xù)產(chǎn)出重大成果，已經(jīng)成為國(guó)之科研重器。

展望未來(lái)，DART還計(jì)劃增加射電天文后端、拓展觀測(cè)頻率、增建若干30 米口徑的大天線，以圓環(huán)陣為中心擴(kuò)展為百千米級(jí)地面陣列，將角度分辨率提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)、靈敏度提高一倍、時(shí)間分辨率提高到亞毫秒級(jí)，可以看到太陽(yáng)射電活動(dòng)區(qū)的內(nèi)部演化細(xì)節(jié)，可以找到射電暫現(xiàn)源的多波段對(duì)應(yīng)體，必將成為射電研究領(lǐng)域非常重要的科研裝備。

本文選自《現(xiàn)代物理知識(shí)》2024年4期YWA編輯

來(lái)源：《現(xiàn)代物理知識(shí)雜志》

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