作者: 倪思洁 来源: 中国科学报 发布时间:2023-9-28
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“千眼天珠”建成,313部天线瞄准太阳

 

圆环阵太阳射电成像望远镜。中国科学院国家空间科学中心供图

■本报记者 倪思洁

9月27日,圆环阵太阳射电成像望远镜(以下简称圆环阵)通过工艺测试,正式建成。它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。

圆环阵位于海拔3820米的四川省甘孜州稻城县噶通镇,被当地居民称作“千眼天珠”。

它由中国科学院国家空间科学中心牵头建设,占地面积约1平方公里,由313部直径6米的抛物面天线构成,天线之间相隔10米,均匀分布在直径为1公里的圆环上。

监测太阳,守卫地球

太阳是离地球最近的恒星,也是地球空间天气事件的源头,太阳一打“喷嚏”,地球可能就会“感冒”。

“太阳为地球带来光和热,孕育着地球上的生命,但它也是高技术系统的杀手。”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《中国科学报》。

太阳爆发活动会导致电网大面积损毁,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。

要想理解日地空间环境系统和空间天气因果链,就要对太阳和日地空间传播链条进行高质量监测,圆环阵所属的子午工程由此而来。

早在1993年,我国科学家就提出了空间天气领域的国家重大科技基础设施——子午工程,其科学目标之一便是通过从太阳大气到近地空间全链条、全国覆盖、高时空分辨的监测,探索空间天气事件的传播、演化,及其影响我国空间环境的路径和规律。

2012年,子午工程一期建成,沿东经120度、北纬30度布局了15个综合性台站,形成“东半球空间环境地基综合监测子午链”。2019年,子午工程二期开工建设,在一期工程的基础上,新增16个台站,形成沿东经100度、120度,北纬40度、30度“井”字形布局的由31个台站、近300台套监测设备组成的空间环境监测网络。

圆环阵是子午工程二期布局建设的装置,也是子午工程中的标志性设备。

“它不但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。这对于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。”阎敬业说。

313朵“向日葵”已运行

圆环阵是由313部天线围成的大圆环,圆环正中央是一座高达100米的中心定标塔。

每天,在太阳升起之前,313部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,并跟随太阳转动。太阳落山后,圆环阵便开始进行其他观测,如探测空间碎片、脉冲星和静止轨道卫星等。

“圆环阵的接收面积等效于一台106米的单口径望远镜。”阎敬业说。

为保证建设质量和工期,项目采取了“三步走”的研制方案。第一步建造2部天线,进行技术摸底;第二步建造14部天线,与此前的2部天线组成16单元系统,进行成像实验;第三步建设313单元系统。

阎敬业介绍,圆环阵采取“边建设、边调试、边运行”的策略。自2022年3月起,16单元成像实验系统就已开始获取太阳成像数据,迄今已积累了大量太阳活动图像和频谱数据。

今年3月,正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;5月,圆环阵与欧洲低频阵列(LOFAR)开展联合观测实验,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得到初步验证,开启科学试观测。

与现实环境较劲

要实现圆环阵的科学观测目标,313部天线和626条接收链路都要具有非常好的幅度和相位一致性。

“圆环阵里的任何一项技术单拎出来都不太难,但是要整齐划一就很难。”阎敬业说。

在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看来,现实环境条件无法达到绝对理想状态,圆环阵最具挑战性的技术就是根据现实环境条件进行系统校准。

例如,圆环阵所在场地地势存在倾斜,最高处与最低处相差30米,中心定标塔无法精准地立在圆环阵的正中心;稻城当地的大风天气会导致中心定标塔晃动;连接在天线和中心定标塔之间的626根电缆线无法从工业生产层面实现同等长度……这些都需要项目团队根据现场的实际情况,通过系统定标的方式对偏差进行校正。

武林介绍,在与现实环境“较劲”的过程中,项目团队攻克了一系列关键核心技术,提出了原创的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。

此次工艺测试表明,圆环阵实现了最大视场达到10个太阳半径的连续稳定的太阳射电成像与频谱观测能力,各项技术指标达到或优于初步设计报告的指标要求。

阎敬业表示,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的高质量数据,并与子午工程的其他监测设备开展联合观测。

考虑到圆环阵每天监测太阳需要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,圆环阵项目团队还有新的计划。

“我们将与500米口径球面射电望远镜‘中国天眼’、‘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。

《中国科学报》 (2023-09-28 第1版 要闻)
 
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