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“千眼天珠”向日开

2023-10-11 17:12:12 来源:科技日报 浏览:110
内容提要:飞机从稻城亚丁机场起飞,舷窗外地面隐现一个小圆点。这个被群山环绕的小圆点...

飞机从稻城亚丁机场起飞,舷窗外地面隐现一个小圆点。这个被群山环绕的小圆点,事实上是个大家伙,当地人称之为“千眼天珠”。

它的名字叫作圆环阵太阳射电成像望远镜(以下简称“圆环阵”),位于海拔3820米的四川省甘孜州稻城县,是目前全球规模最大的综合孔径射电望远镜,也是国家重大科技基础设施“空间环境地基综合监测网”(子午工程二期)的标志性设备之一。

“圆环阵不仅能监测太阳的各种爆发活动,还能监测太阳风暴进入行星际的过程,对理解太阳爆发机制和日地传播规律,预测太阳活动对地球的影响具有重要作用。”圆环阵项目负责人、中国科学院国家空间科学中心研究员阎敬业告诉科技日报记者。

国庆节前,圆环阵顺利通过工艺测试,宣告正式建成。测试表明,圆环阵实现了最大视场达10个太阳半径的连续稳定太阳射电成像与频谱观测能力,各项技术指标达到或优于设计指标要求。

313台天线组成“射电相机”

作为离地球最近的恒星,太阳为我们带来光和热。但它也是地球空间天气事件的源头,太阳打个“喷嚏”,地球可能会“感冒”。

“别小看这个‘喷嚏’,强烈的太阳爆发释放出的能量,相当于100亿颗百万吨级核弹。”阎敬业说,一旦能量冲向地球,会对空间和地面的高技术系统造成严重影响,大面积损毁电网,威胁高铁、卫星等运行安全,影响导航精度、雷达性能,造成短波通信中断等。

“千眼天珠”的价值就在于此。它如同一部“射电相机”,对着太阳拍照,对空间天气进行预报和预警,为科学研究提供第一手资料。

眼前这个巨大的圆环阵,由313台直径6米的白色反射面天线组成,天线均匀分布在直径1公里的圆环上,圆环中心有一座约百米高的中心定标塔。

每天太阳升起前,313台天线同时对准中心定标塔进行对焦校准。太阳升起后,它们就像向日葵一样对准太阳,随太阳转动。太阳落山后,圆环阵也不“下班”,开始其他观测任务,如探测空间碎片、脉冲星和静止轨道卫星等。

由于太阳的射电特征是快速变化的,普通的单口径射电望远镜逐点扫描已不适用,需要一个射电频段的“镜头”对太阳拍照。

那么,“千眼天珠”为何要做成圆环状?

“我们看到的圆环阵,它的一圈天线以及后面的信号处理系统加在一起,等效于一个射电频段的镜头,这样我们就有了一部‘射电相机’。”阎敬业说,更大镜头才能拍下更高质量的照片,圆环阵的接收面积等效于一台106米的单口径天线,有利于更好地分析太阳活动。

“对焦”考验的不只是关键技术

57秒,100米。随着电梯的快速上升,还没来得及深吸一口气,记者已登上海拔3920米的中心定标塔。

塔上风有点大,脚下站台微晃,同行者下意识地抓住了栏杆。

“我们创新性地提出建造中心定标塔,从而实现精细的一致性控制,保证了射电镜头足够光滑,能够很好地成像。”阎敬业指着被金色阳光笼罩的圆环阵说,每天早晨,定标塔都会向313台天线发出信号,对它们进行一致性控制。

如同光学相机,圆环阵使用前也要先校准。但要让313朵“向日葵”一致对准太阳并不容易。建造过程中,科研团队攻克了一系列关键核心技术,原创性提出圆环阵列构型和中心定标总体方案,突破了单通道多环绝对相位定标等关键技术。

科研团队不仅在和创新赛跑,也在与现实环境较劲。

“把科学方案‘变现’,牵扯很多技术问题和施工问题,各种问题交织在一起就会变得很难。”圆环阵副主任设计师、中国科学院国家空间科学中心副研究员武林说,圆环阵最具挑战性的技术是根据现实环境条件进行系统校准。原本设计中心定标塔的位置是在圆心,但实际建设中还是偏离了几厘米。这是因为,圆环阵所处的地形并不平坦,最高处和最低处落差近30米。

中国科学院国家空间科学中心稻城亚丁台站执行站长吴俊伟表示,稻城当地的高寒、缺氧、风霜雨雪等自然环境,也给设备设计、实验和测试造成了很大困扰。比如,记者当天碰到的大风天气导致中心定标塔晃动;连接天线和中心定标塔的626根电缆线无法从工程层面实现科研设计的同等长度……这些都需要科研团队根据实际情况,通过系统定标的方式对偏差进行校正。

为保证质量和工期,圆环阵采取“三步走”研制方案,即2单元技术摸底、16单元成像实验、313单元系统建设。

“圆环阵建成16个单元时,观测效果就已经超过国外同类设备。”武林说。他还记得,从进场到完成16单元调试,自己在稻城待了36天,“那时还没有制氧机,高原缺氧会让人的脑子‘变糊’,经常是说了一分钟之后就忘了要说啥”。

多个“国之重器”联手巡天

本着“边建设、边调试、边运行”的原则,自2022年3月起,圆环阵16单元成像实验系统已开始获取太阳成像数据,迄今积累了大量太阳活动图像和频谱数据。

一年后,还处于系统调试阶段的圆环阵,开展了我国首次基于射电图像序列的脉冲星探测实验,从连续射电图像中成功识别出脉冲星闪烁。

2023年5月,圆环阵与欧洲低频阵列开展了联合观测实验,实现了交叉验证;7月,圆环阵已具备连续稳定高质量监测太阳活动的能力,脉冲星成像等射电天文观测能力也得到初步验证,从而正式开启科学试观测。

下一阶段,圆环阵将在白天观测太阳活动,为太阳物理和空间天气研究提供长时间序列高质量数据,并与子午工程的其他监测设备开展联合观测。

“考虑到监测太阳每天需要8小时左右,为充分发挥国家重大科技基础设施的综合效能,圆环阵还将与‘中国天眼’(500米口径球面射电望远镜)、‘中国复眼’雷达阵列、三亚非相干散射雷达等国家重大科技基础设施开展联合观测,有望在低频射电巡天、脉冲星、快速射电暴和行星防御监测预警等领域发挥重要作用。”阎敬业说。

当记者问及圆环阵与“中国天眼”的区别时,阎敬业直言,双方各有优势,联手能发挥更大作用。

“‘中国天眼’有500米口径的接收面积,是世界上灵敏度最高的射电望远镜,非常擅长脉冲星和快速射电暴观测,但不具备全天扫描能力。”阎敬业介绍,“千眼天珠”的优势在于,其具备高灵敏度的同时,通过313个小天线实现如同射电相机般的功效,对于像太阳之类的射电源可以连续拍摄视频。同时,它确定快速射电暴坐标位置的能力更优。

“我们将持续优化和升级圆环阵,希望能做到百公里阵列规模。”阎敬业信心满满地说,“随着国家重大科技基础设施综合效能的释放,圆环阵一定能产出更多的高质量科研成果,为占据射电天文和太阳物理领域国际前沿,助力我国实现高水平科技自立自强作出更大贡献!”(刘

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