天博“千眼天珠”，观天逐日在稻城—新闻—科学网

于湖南省稻城县金珠镇的花海间，藏着一个由数百面白色反射面天线构成的伟大的圆环形千里镜阵列，圆环的正中央有一个约百米高的铁塔。这就是正于设置装备摆设中的国度庞大科技根蒂根基举措措施子午项目二期标记性装备之一 圆环阵太阳射电成像千里镜（DSRT）。它被本地住民称为 千眼天珠 ，由中国科学院国度空间科学中央牵头设置装备摆设，焦点使命是及时监测地球空间气候事务的源头 太阳。

空间气候预告看太阳

太阳是离咱们近来的恒星，给地球以及人类带来了光以及热，孕育了地球上的生命。可是它也有 打喷嚏 的时辰 会发生发作，强烈的太阳发作会开释出100亿颗百万吨级原枪弹的能量。假如发作时抛射出来的带电粒子飞向地球，等离子体团携带的伟大能量将对于地球的磁场、电离层、高层年夜气密度孕育发生严峻的影响。这些对于地球空间情况孕育发生扰动的事务叫做空间气候事务，会惹起地球空间情况剧烈相应，而对于地面以及空间的高技能体系孕育发生较年夜影响的事务叫做灾难性空间气候事务。

古时，人类是不太能感触感染到空间气候事务的。空间气候事务对于人类的影响仅限在极光。对于在中国人来讲，由于我国地舆纬度较低，磁纬度更低，基本上看不到极光。纵然是于中国最北面的漠河，极光也是小几率事务。可是于中国的史书上也记载过极光事务。好比《旧唐书》中记录，于公元775年， 十仲春丙半夜，东方月上有白气十余道，如匹帛，贯五车、东井、輿鬼、觜、参、毕、柳、轩辕，三更方后散。 白气十余道，如匹帛，只能用极光来注释。哄骗现代科学技能研究古树时发明，公元775年的碳14显著增长。太阳发作的高能粒子与年夜气作用，会孕育发生碳14，跟着水汽轮回进入树木，是以或许就是那一次极其强烈的空间气候事务孕育发生了很是敞亮的极光，还延长到了长安所处的中纬度地域。空间气候范畴闻名的卡灵顿事务于中国古籍中也有记录，《栾城县志》祥异卷有 己未九年春三月壬辰，天狗过境，左旋入在东北，声如雷。秋八月癸卯夜，赤气起在西北，亘在东北，黎明始灭。 咸丰己未年即1859年，秋八月癸卯夜即9月1日晚，此时是英国早上，时间上一致。此�첩次事务看到了 赤气 ，这应该是高能粒子与氧原子彼此作用引发的红光。

跟着科学技能的成长，空间气候事务对于人类社会的影响就很是严峻了，好比会致使天上的卫星出妨碍，电离层扰动会影响卫星导航定位的精度，磁场的变迁会于地面电网、高铁等年夜环路导体中孕育发生超强的感到电流，带来路线妨碍等。2022年2月，一次量级不高的地磁暴致使了高层年夜气密度增长，使美国空间摸索公司（SpaceX）的一批 星链 卫星很快坠毁，其间接缘故原由就是对于空间气候的熟悉不到位，未能预告高层年夜气轨道密度变迁。

假如咱们不器重对于空间气候事务的研究、预告以及应答，一旦碰到如许很是极度的空间气候事务，人类社会的高技能举措措施可能会遭到严峻粉碎，咱们此刻紧密亲密依靠在卫星的糊口体式格局，可能也会受到严峻影响。而这些高技能体系的重修以及恢复需要很永劫间，要泯灭年夜量的人力、物力、财力。

DSRT补上空间气候预告的短板

咱们已经经知道，空间气候的源头于太阳。但人类对于太阳的磁场、耀斑以及日冕物资抛射机理的熟悉还不是很清楚 日冕物资抛射会不会达到地球？怎样影响地球空间气候？这些问题都需要深切研究。缺少充足的不雅测数据成为研究以及预告的最年夜掣肘，是以，当前空间气候的预告也不太正确。

人类对于太阳的不雅测汗青悠长，手腕也比力富厚。不单有卫星上的高能X射线、紫外以及可见光不雅测手腕，也有地面上的可见光、红外和毫米波以及射电千里镜。可是低频段的不雅测威力却出缺掉，好比150-450MHz频段只要法国于20世纪80年月设置装备摆设的一个千里镜可以或许不雅测，其敏捷度以及分辩率都远不克不及满意需求。此外，因为地球于扭转，这台射电千里镜其实不能持续不雅测太阳，没法满意不雅测时区笼罩的要求。

圆环阵太阳射电成像千里镜（DSRT）补齐了这一短板。它可以不雅测太阳耀斑以及日冕物资抛射历程孕育发生的射电辐射，经由过程射电图象序列合成持续的视频，监测太阳喷发出来的这些物资的造成以及演化，研究太阳发作历程以及机理，判定日冕物资抛射的速率以及标的目的，如许就能够帮忙科学家研究太阳发作的纪律以及机制，阐发日冕物资是否和什么时候达到地球，猜测是否会孕育发生空间气候事务。

这个波段之以是主要，是由于日冕物资从太阳年夜气抛射进入行星际的历程中，激波驱动的射电辐射就于这个波段。于这个波段可以或许监测到间隔太阳外貌几个太阳半径的高日冕中发生的射电辐射，也是这个阶段决议了日冕物资抛射进入行星际的形态、布局以及运动标的目的。是以，监测这个抛射的历程很是主要，可认为判定其行星际流传提供主要的初始前提，进而猜测日冕物资是抛向地球标的目的，照旧其他标的目的。

精妙的设计让太阳射电不雅测技能换代进级

射电千里镜的天线越年夜，空间分辩率越高。可是天线的巨细不克不及光看物理尺寸，还要看电尺寸，也就是物理尺寸以及不雅测波长之比。好比一个天线的物理孔径是10米，假如事情于10GHz，也就是0.03米的波长，它的电尺寸就是333.3个波长，以是是一个电尺寸很年夜的天线。可是，假如一样孔径的天线，事情于100MHz，波长为3米，它的电尺寸就是3.3个波长，是一个电尺寸较小的天线。地球间隔太阳1.5亿千米远，从地球不雅测整个太阳的张角也只要32角分，比0.5度年夜一点，孕育发生强烈太阳发作的勾当区尺寸约为20万千米，而太阳的直径是140万千米，假如想辨认自力太阳勾当区的发作勾当，需要至少得到整日面20 20个像素的图象，也就是约莫1.6角分的空间分辩率。比拟光学千里镜，这个分辩率要低患上多，但对于在射电千里镜，就需要电尺寸很年夜的孔径，按照波长计较，物理孔径就需要到达2千米。

DSRT天线阵的直径虽然只要1千米，但由于接纳了综合孔径的成像要领，理论上可以将电尺寸加倍，天线的空间分辩率也提高一倍。甚么是综合孔径呢？中国的FAST是世界上最年夜的单孔径射电千里镜，伟大的吸收面积使其敏捷度远远跨越其他射电千里镜。假如用FAST做成像不雅测，需要用非凡的自动反射面节制技能做漂移扫描，把感乐趣的天区扫一遍。但太阳射电勾当十分繁杂，逐点扫描不克不及同时得到整日面的射电信息。此外，做一个2千米的单孔径千里镜既不实际，也没必要要。这就要接纳综合孔径的成像要领 把一个伟大的镜头分化成许多小的孔径，每一个小孔径都同步吸收外界的旌旗灯号，然后再把所有小孔径吸收的旌旗灯号加于一路，就等效为一个年夜孔径天线。太阳的辐射强度很是高，其实不需要很高的不雅测敏捷度，满阵的 性价比 就不高了 可以拿失许多小孔径，再经由过程一系列繁杂的旌旗灯号干预干与处置惩罚来成像，仍旧可实现年夜孔径的角度分辩率。拿失许多小孔径的操作就叫稀少化，哄骗稀少化的小孔径成像的历程就叫综合孔径。例如，DSRT就拿失了98.9%的小孔径，极年夜地降低了设置装备摆设成本以及事情量。综合孔径技能不单简化了体系，还能像拍照机同样，按一下快门，就能够给整个视场拍个照，再也不需要逐点扫描，这就解决了年夜视场同时监测的问题。

数学上，用天线阵列吸收旌旗灯号，然后经由过程旌旗灯号处置惩罚来成像，就等效在用一个凸面镜来成像，素质上都是做了傅里叶变换。而不管是太阳照旧其他真实世界的辐射源，它们的辐射能量都是实数，傅里叶变换有一个性子：实函数的傅里叶变换的幅度谱是偶函数，相位谱是奇函数。这就象征着咱们只需要用一半干预干与基线举行丈量，对于这些干预干与丈量值做个共轭处置惩罚，就能够获得另外一半干预干与基线的丈量值，终极获取了完备的傅里叶变换数据。这就是DSRT用1千米的物理孔径就实现2千米孔径的角度分辩率的秘密。

DSRT天线阵之以是接纳圆环阵列构型，也是由综合孔径的详细实现要领 相干处置惩罚以及图象反演决议的。

其一，是经由过程每一对于小天线相干处置惩罚，以获取完备的傅里叶份量的要求。相干处置惩罚时，把圆环上的每个小天线与所有其他小天线别离配对于，并将每一一对于小天线的吸收旌旗灯号相乘，然后累加必然的时间（相称在拍照机的快门）来提高敏捷度。每一一对于小天线的间距矢量称为干预干与基线，每一条干预干与基线的丈量值就是这条基线的丈量可见度。要想很好成像，干预干与基线的漫衍就需要密集而匀称，圆环形阵列的干预干与基线就是相称密集以及匀称的。

其二，是图象反演的要求。遭到天线、吸收机以及各类毗连器以及线缆加工精度的限定，小天线的幅度以及相位一致性没法做患上很好。出格是像DSRT这类空间标准很年夜的阵列，千里镜硬件体系的一致性以及不变性凡是都没法满意综合孔径成像的要求。间接用如许的千里镜照相，就像用磨砂博璃镜头去照相，会致使图象恍惚，以至底子没法成像。这就需要用到综合孔径千里镜独有的单位一致性定标技能。国际上的其他千里镜都需要经由过程不雅测一个位置以及亮度已经知的天文源，来批改千里镜体系自身的偏差。问题是，满意要求的天文源不是许多，对于在年夜视场的低频千里镜来说，更难找到如许的定标源。并且，这类用天文源定标的要领还会华侈名贵的不雅测时间。DSRT基在非凡的圆环构型，于圆心设置装备摆设了受控发射定标旌旗灯号的定标塔，每一个小天线都能无遮挡地吸收定标旌旗灯号，相称在有一个随时可用、自立可控的定标源。经由过程非凡设计定标流程以及算法，可以把 镜头 磨患上亮亮的，实现切确的成像处置惩罚。

国际上，接纳这类技能专门不雅测太阳的射电千里镜有法国南希天文台、日本野边山天文台、俄罗斯西伯利亚射电天文台，和中国国度天文台于内蒙古明安图的射电千里镜。别的，美国、印度、智利也有重要用在天文不雅测、偶然用在太阳不雅测的射电天文台。它们接纳的都是比力传统的技能，于图象品质或者及时成像威力等方面，都遇到了一些坚苦。

2022年3月，DSRT完成为了一套16部天线的实验体系的搭建，乐成地获取了高品质的太阳射电图象以及频谱，验证了整体方案。虽然实验体系范围只要法国同频段体系的1/3，但获取的太阳射电图象品质较着更好。2022年11月13日，设置装备摆设者们完成为了313个天线的体系集成，正式进入联调联试阶段。估计于2023年6月完成体系调试，转入试运转阶段，周全投入科学不雅测。而因为DSRT独占的年夜视场高品质成像威力，咱们也会于太阳落山后，共同射电天文学家开展夜天文不雅测，充实阐扬庞大科技根蒂根基举措措施平台的效能。

应该说，DSRT是太阳射电不雅测范畴的更新换代产物，将是世界上同频段成像品质最高的太阳射电天文台，将为太阳物理、空间气候研究以及预告提供很是靠得住以及及时的不雅测数据。

（作者：吴季 阎敬业，均系中国科学院国度空间科学中央研究员）

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