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“千眼天珠”向日開——全球規模最大的綜合孔徑射電望遠鏡落成記
圖為圓環陣太陽射電成像望遠鏡。吳俊偉?攝
飛機從稻城亞丁機場起飛,舷窗外地面隱現一個小圓點。這個被群山環繞的小圓點,事實上是個大家伙,當地人稱之為“千眼天珠”。
它的名字叫作圓環陣太陽射電成像望遠鏡(以下簡稱“圓環陣”),位于海拔3820米的四川省甘孜州稻城縣,是目前全球規模最大的綜合孔徑射電望遠鏡,也是國家重大科技基礎設施“空間環境地基綜合監測網”(子午工程二期)的標志性設備之一。
“圓環陣不僅能監測太陽的各種爆發活動,還能監測太陽風暴進入行星際的過程,對理解太陽爆發機制和日地傳播規律,預測太陽活動對地球的影響具有重要作用。”圓環陣項目負責人、中國科學院國家空間科學中心研究員閻敬業告訴科技日報記者。
國慶節前,圓環陣順利通過工藝測試,宣告正式建成。測試表明,圓環陣實現了最大視場達10個太陽半徑的連續穩定太陽射電成像與頻譜觀測能力,各項技術指標達到或優于設計指標要求。
313臺天線組成“射電相機”
作為離地球最近的恒星,太陽為我們帶來光和熱。但它也是地球空間天氣事件的源頭,太陽打個“噴嚏”,地球可能會“感冒”。
“別小看這個‘噴嚏’,強烈的太陽爆發釋放出的能量,相當于100億顆百萬噸級核彈。”閻敬業說,一旦能量沖向地球,會對空間和地面的高技術系統造成嚴重影響,大面積損毀電網,威脅高鐵、衛星等運行安全,影響導航精度、雷達性能,造成短波通信中斷等。
“千眼天珠”的價值就在于此。它如同一部“射電相機”,對著太陽拍照,對空間天氣進行預報和預警,為科學研究提供第一手資料。
眼前這個巨大的圓環陣,由313臺直徑6米的白色反射面天線組成,天線均勻分布在直徑1公里的圓環上,圓環中心有一座約百米高的中心定標塔。
每天太陽升起前,313臺天線同時對準中心定標塔進行對焦校準。太陽升起后,它們就像向日葵一樣對準太陽,隨太陽轉動。太陽落山后,圓環陣也不“下班”,開始其他觀測任務,如探測空間碎片、脈沖星和靜止軌道衛星等。
由于太陽的射電特征是快速變化的,普通的單口徑射電望遠鏡逐點掃描已不適用,需要一個射電頻段的“鏡頭”對太陽拍照。
那么,“千眼天珠”為何要做成圓環狀?
“我們看到的圓環陣,它的一圈天線以及后面的信號處理系統加在一起,等效于一個射電頻段的鏡頭,這樣我們就有了一部‘射電相機’。”閻敬業說,更大鏡頭才能拍下更高質量的照片,圓環陣的接收面積等效于一臺106米的單口徑天線,有利于更好地分析太陽活動。
“對焦”考驗的不只是關鍵技術
57秒,100米。隨著電梯的快速上升,還沒來得及深吸一口氣,記者已登上海拔3920米的中心定標塔。
塔上風有點大,腳下站臺微晃,同行者下意識地抓住了欄桿。
“我們創新性地提出建造中心定標塔,從而實現精細的一致性控制,保證了射電鏡頭足夠光滑,能夠很好地成像。”閻敬業指著被金色陽光籠罩的圓環陣說,每天早晨,定標塔都會向313臺天線發出信號,對它們進行一致性控制。
如同光學相機,圓環陣使用前也要先校準。但要讓313朵“向日葵”一致對準太陽并不容易。建造過程中,科研團隊攻克了一系列關鍵核心技術,原創性提出圓環陣列構型和中心定標總體方案,突破了單通道多環絕對相位定標等關鍵技術。
科研團隊不僅在和創新賽跑,也在與現實環境較勁。
“把科學方案‘變現’,牽扯很多技術問題和施工問題,各種問題交織在一起就會變得很難。”圓環陣副主任設計師、中國科學院國家空間科學中心副研究員武林說,圓環陣最具挑戰性的技術是根據現實環境條件進行系統校準。原本設計中心定標塔的位置是在圓心,但實際建設中還是偏離了幾厘米。這是因為,圓環陣所處的地形并不平坦,最高處和最低處落差近30米。
中國科學院國家空間科學中心稻城亞丁臺站執行站長吳俊偉表示,稻城當地的高寒、缺氧、風霜雨雪等自然環境,也給設備設計、實驗和測試造成了很大困擾。比如,記者當天碰到的大風天氣導致中心定標塔晃動;連接天線和中心定標塔的626根電纜線無法從工程層面實現科研設計的同等長度……這些都需要科研團隊根據實際情況,通過系統定標的方式對偏差進行校正。
為保證質量和工期,圓環陣采取“三步走”研制方案,即2單元技術摸底、16單元成像實驗、313單元系統建設。
“圓環陣建成16個單元時,觀測效果就已經超過國外同類設備。”武林說。他還記得,從進場到完成16單元調試,自己在稻城待了36天,“那時還沒有制氧機,高原缺氧會讓人的腦子‘變糊’,經常是說了一分鐘之后就忘了要說啥”。
多個“國之重器”聯手巡天
本著“邊建設、邊調試、邊運行”的原則,自2022年3月起,圓環陣16單元成像實驗系統已開始獲取太陽成像數據,迄今積累了大量太陽活動圖像和頻譜數據。
一年后,還處于系統調試階段的圓環陣,開展了我國首次基于射電圖像序列的脈沖星探測實驗,從連續射電圖像中成功識別出脈沖星閃爍。
2023年5月,圓環陣與歐洲低頻陣列開展了聯合觀測實驗,實現了交叉驗證;7月,圓環陣已具備連續穩定高質量監測太陽活動的能力,脈沖星成像等射電天文觀測能力也得到初步驗證,從而正式開啟科學試觀測。
下一階段,圓環陣將在白天觀測太陽活動,為太陽物理和空間天氣研究提供長時間序列高質量數據,并與子午工程的其他監測設備開展聯合觀測。
“考慮到監測太陽每天需要8小時左右,為充分發揮國家重大科技基礎設施的綜合效能,圓環陣還將與‘中國天眼’(500米口徑球面射電望遠鏡)、‘中國復眼’雷達陣列、三亞非相干散射雷達等國家重大科技基礎設施開展聯合觀測,有望在低頻射電巡天、脈沖星、快速射電暴和行星防御監測預警等領域發揮重要作用。”閻敬業說。
當記者問及圓環陣與“中國天眼”的區別時,閻敬業直言,雙方各有優勢,聯手能發揮更大作用。
“‘中國天眼’有500米口徑的接收面積,是世界上靈敏度最高的射電望遠鏡,非常擅長脈沖星和快速射電暴觀測,但不具備全天掃描能力。”閻敬業介紹,“千眼天珠”的優勢在于,其具備高靈敏度的同時,通過313個小天線實現如同射電相機般的功效,對于像太陽之類的射電源可以連續拍攝視頻。同時,它確定快速射電暴坐標位置的能力更優。
“我們將持續優化和升級圓環陣,希望能做到百公里陣列規模。”閻敬業信心滿滿地說,“隨著國家重大科技基礎設施綜合效能的釋放,圓環陣一定能產出更多的高質量科研成果,為占據射電天文和太陽物理領域國際前沿,助力我國實現高水平科技自立自強作出更大貢獻!”
編輯:馬嘉悅