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“子午工程”二期圆环阵太阳射电成像望远镜设备完成系统集成
发布时间: 2022年11月15日

距离稻城县城不到10公里,与皮洛旧石器时代遗址遥遥相望,在海拔3830米的甘孜州稻城县噶通镇,科幻片一样的场景变成了现实——群山环抱间,313台6米直径、形似锅盖的天线,围成了直径1公里的圆环阵。最中间,100米高的定标塔,为射电望远镜的313套天线及接收提供基准信号。

这幅高原上壮丽的图景,正是空间环境地基综合监测网(子午工程二期)圆环阵太阳射电成像望远镜项目现场。

11月13日,最后一座天线安装成功,标志着这颗巨大的“千眼天珠”主体工程正式完工。在接下来为期半年多的联调联试后,这座望远镜有望在2023年6月启用。

作为“观天神器”,它的来头可不小——这是国家重大科技基础设施子午工程二期的重要组成部分,是全球规模最大、性能最强的太阳射电成像望远镜。

从立项之时起,它就被赋予了前沿、重要的使命——监测太阳“打喷嚏”。

 

高原上建起“观天神器”,每天盯着太阳看

313座小天线,就像313朵向日葵,朝着太阳的方向转动,凝望着浩瀚宇宙。

为什么要专门建一座望远镜,一直盯着太阳看?

 

稻城县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项目的全貌。何海洋 摄

“地球空间天气事件的源头就是太阳。”中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气国家重点实验室副研究员、圆环阵太阳射电成像望远镜项目副主任设计师武林说到了关键词——太阳爆发。

“你可以把太阳爆发理解为太阳‘打喷嚏’。”武林说,太阳爆发会喷射出一些物质,也就是高能粒子,专业术语把这叫作日冕物质抛射。

太阳“打喷嚏”的时间和方向不可预测。武林说,“万一它朝着地球打了一个‘大喷嚏’,太阳表面就会向地球抛射出大量的高能粒子,这些高速带电粒子到达地球后,有可能导致地球轨道的卫星受损,地球上的通信网络、电网等受到影响。”

 

工人正在安装最后一个天线面。何海洋 摄

影响有多严重?受太阳爆发影响,北斗定位的误差可能从“厘米级”扩大到“百米级”;使用短波通信的电报、对讲机会全部“趴窝”;地面电网可能因超过设计负载能力而烧毁,导致大面积停电。此外卫星如果工作时遇上高能粒子打击,可能会出现各种意想不到的风险。

“子午工程关注空间天气,我们这个设备作为其中重要的组成部分,最主要科学目标就是每天盯着太阳看。看它什么时候‘打喷嚏’,喷嚏的方向和速度。这样科学家就可以利用这些数据计算,得到精确的高能粒子到达地球的时间,从而为卫星、通信设施、电网等正常运行提供空间天气预警,保障各种设备的运行安全。”武林说。

 

捕捉电磁波信号,抢抓空间天气预报时间差

日地距离约有1.5亿公里。从这个尺度上来看,这个地球上的望远镜阵列,何以能迅速掌握太阳的一举一动?

武林说,这要从太阳爆发射电探测的机理说起。太阳“打喷嚏”喷射出的高能粒子从太阳传播到地球,需要几十个小时。

但是,有一个“信使”腿脚更利索,可以预告高能粒子的信息。那就是电磁波。

太阳喷射出的高能粒子会在距离太阳表面不同的位置,辐射不同频率的电磁波信号。电磁波在真空中的传播速度约为每秒30万千米。这座“观天神器”通过“捕捉”电磁波信号,就可以在太阳爆发几分钟内就发现它。

接下来就是抓住宝贵的“时间差”,对空间天气进行预报。

一旦望远镜捕获到太阳爆发初期的高能粒子团辐射出的射电信号,它将迅速对其进行高精度成像和频谱探测,进而预测高能粒子到达地球的时间和强度,实现对太阳爆发活动的监测和预警。

 

图片 建设中的子午工程二期圆环阵太阳射电成像望远镜。

别看一台小天线的直径只有6米,当313个小天线协同观测,就能形成虚拟的超大口径天线,从而实现对太阳爆发活动的高精度成像观测。而对于稻城这个“观天神器”建设之地而言,不仅区位优势明显、地势平坦开阔、天气条件适宜、交通通信水电要件齐备,同时还背靠喜马拉雅山脉,大气湍流较弱,观测稳定性得到有效保证。

望远镜通过捕捉150兆赫兹—450兆赫兹频段的射电频段,对太阳爆发活动进行成像成谱观测,将日冕物质抛射从生成到高日冕传播的全过程“尽收眼底”。

 

从2个小天线开始,分三步走释放技术风险

翻看这张“天罗地网”的建设时间表会发现,项目建设的节奏明显是先慢后快——2019年获批立项建设,真正的313个天线的大系统建设从2021年末才开始。

由于系统建设规模大、研制难度高,为了充分释放技术风险,项目组采用了“三步走”的建设方案。

第一步,试水,先建起两座小天线,进行系统研制;第二步,验证,建起更复杂的16座天线系统,开展验证研制;最终,才启动313单元大系统的建设。前两步分别于2021年8月、12月完成。在这个过程中,武林和同事杨洋协调各外协单位,从样机研制到联调联试,排查和解决了数百项技术难题。

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建设中的子午工程二期圆环阵太阳射电成像望远镜。

16单元验证系统建成时,其天线单元数量仅有国际同频段观测设备1/3。但其针对太阳活动区的观测结果,已优于同类。这样一来,系统的整体功能和性能指标得到了验证,大系统建设的技术风险得到了充分释放。

到了建设阶段,承担分系统研制的各外协单位的建设者们又克服疫情、高寒缺氧的影响,持续在海拔3800米的高原上战斗,最终使得设备系统集成工作比预计时间提前50天完成。

根据规划,在系统集成完成后,圆环阵太阳射电成像望远镜项目将进入紧张的联调联试阶段,预计将在2023年6月完成系统联调联试,进入试运行阶段,全面投入科学研究。

未来,稻城县也将利用这一得天独厚的资源,加快推进“旅游+科技”融合发展,打造天文科技旅游新地标。

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图片除署名外由中科院国家空间科学中心稻城亚丁台站提供

文章来源川观新闻、央视新闻、四川新闻联播。文章经编辑。