太陽是離我們最近的恒星，給地球和人類帶來了光和熱，孕育了地球上的生命。但是它也有“打噴嚏”的時(shí)候——會發(fā)生爆發(fā)，強(qiáng)烈的太陽爆發(fā)會釋放出100億顆百萬噸級原子彈的能量。如果爆發(fā)時(shí)拋射出來的帶電粒子飛向地球，等離子體團(tuán)攜帶的巨大能量將對地球的磁場、電離層、高層大氣密度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。這些對地球空間環(huán)境產(chǎn)生擾動的事件叫做空間天氣事件，會引起地球空間環(huán)境劇烈響應(yīng)，而對地面和空間的高技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響的事件叫做災(zāi)害性空間天氣事件。
古時(shí)，人類是不太能感受到空間天氣事件的?？臻g天氣事件對人類的影響僅限于極光。對于中國人來說，因?yàn)槲覈乩砭暥容^低，磁緯度更低，基本上看不到極光。即使是在中國最北面的漠河，極光也是小概率事件。但是在中國的史書上也記錄過極光事件。比如《舊唐書》中記載，在公元775年，“十二月丙子夜，東方月上有白氣十余道，如匹帛，貫五車、東井、輿鬼、觜、參、畢、柳、軒轅，三更方后散。”白氣十余道，如匹帛，只能用極光來解釋。利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究古樹時(shí)發(fā)現(xiàn)，公元775年的碳14顯著增加。太陽爆發(fā)的高能粒子與大氣作用，會產(chǎn)生碳14，隨著水汽循環(huán)進(jìn)入樹木，因此也許就是那一次極為強(qiáng)烈的空間天氣事件產(chǎn)生了非常明亮的極光，還延伸到了長安所處的中緯度地區(qū)。空間天氣領(lǐng)域著名的卡靈頓事件在中國古籍中也有記載，《欒城縣志》祥異卷有“己未九年春三月壬辰，天狗過境，左旋入于東北，聲如雷。秋八月癸卯夜，赤氣起于西北，亙于東北，平明始滅。”咸豐己未年即1859年，秋八月癸卯夜即9月1日晚，此時(shí)是英國早上，時(shí)間上一致。這次事件看到了“赤氣”，這應(yīng)該是高能粒子與氧原子相互作用激發(fā)的紅光。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，空間天氣事件對人類社會的影響就非常嚴(yán)重了，比如會導(dǎo)致天上的衛(wèi)星出故障，電離層擾動會影響衛(wèi)星導(dǎo)航定位的精度，磁場的變化會在地面電網(wǎng)、高鐵等大環(huán)路導(dǎo)體中產(chǎn)生超強(qiáng)的感應(yīng)電流，帶來線路故障等。2022年2月，一次量級不高的地磁暴導(dǎo)致了高層大氣密度增加，使美國空間探索公司(SpaceX)的一批“星鏈”衛(wèi)星很快墜毀，其直接原因就是對空間天氣的認(rèn)識不到位，未能預(yù)報(bào)高層大氣軌道密度變化。
如果我們不重視對空間天氣事件的研究、預(yù)報(bào)和應(yīng)對，一旦遇到這樣非常極端的空間天氣事件，人類社會的高技術(shù)設(shè)施可能會受到嚴(yán)重破壞，我們現(xiàn)在密切依賴于衛(wèi)星的生活方式，可能也會遭到嚴(yán)重影響。而這些高技術(shù)系統(tǒng)的重建和恢復(fù)需要很長時(shí)間，要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力。
DSRT補(bǔ)上空間天氣預(yù)報(bào)的短板
我們已經(jīng)知道，空間天氣的源頭在太陽。但人類對太陽的磁場、耀斑和日冕物質(zhì)拋射機(jī)理的認(rèn)識還不是很清晰——日冕物質(zhì)拋射會不會到達(dá)地球?如何影響地球空間天氣?這些問題都需要深入研究。缺乏足夠的觀測數(shù)據(jù)成為研究和預(yù)報(bào)的最大掣肘，因此，當(dāng)前空間天氣的預(yù)報(bào)也不太準(zhǔn)確。
人類對太陽的觀測歷史悠久，手段也比較豐富。不但有衛(wèi)星上的高能X射線、紫外和可見光觀測手段，也有地面上的可見光、紅外以及毫米波和射電望遠(yuǎn)鏡。但是低頻段的觀測能力卻有缺失，比如150-450MHz頻段只有法國在20世紀(jì)80年代建設(shè)的一個(gè)望遠(yuǎn)鏡能夠觀測，其靈敏度和分辨率都遠(yuǎn)不能滿足需求。此外，由于地球在旋轉(zhuǎn)，這臺射電望遠(yuǎn)鏡并不能連續(xù)觀測太陽，無法滿足觀測時(shí)區(qū)覆蓋的要求。
圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡(DSRT)補(bǔ)齊了這一短板。它可以觀測太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射過程產(chǎn)生的射電輻射，通過射電圖像序列合成連續(xù)的視頻，監(jiān)測太陽噴發(fā)出來的這些物質(zhì)的形成和演化，研究太陽爆發(fā)過程和機(jī)理，判斷日冕物質(zhì)拋射的速度和方向，這樣就可以幫助科學(xué)家研究太陽爆發(fā)的規(guī)律和機(jī)制，分析日冕物質(zhì)是否以及何時(shí)到達(dá)地球，預(yù)測是否會產(chǎn)生空間天氣事件。
這個(gè)波段之所以重要，是因?yàn)槿彰嵛镔|(zhì)從太陽大氣拋射進(jìn)入行星際的過程中，激波驅(qū)動的射電輻射就在這個(gè)波段。在這個(gè)波段能夠監(jiān)測到距離太陽表面幾個(gè)太陽半徑的高日冕中發(fā)生的射電輻射，也是這個(gè)階段決定了日冕物質(zhì)拋射進(jìn)入行星際的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和運(yùn)動方向。因此，監(jiān)測這個(gè)拋射的過程非常重要，可以為判斷其行星際傳播提供重要的初始條件，進(jìn)而預(yù)測日冕物質(zhì)是拋向地球方向，還是其他方向。
精巧的設(shè)計(jì)讓太陽射電觀測技術(shù)換代升級
射電望遠(yuǎn)鏡的天線越大，空間分辨率越高。但是天線的大小不能光看物理尺寸，還要看電尺寸，也就是物理尺寸和觀測波長之比。比如一個(gè)天線的物理孔徑是10米，如果工作在10GHz，也就是0.03米的波長，它的電尺寸就是333.3個(gè)波長，所以是一個(gè)電尺寸很大的天線。但是，如果同樣孔徑的天線，工作在100MHz，波長為3米，它的電尺寸就是3.3個(gè)波長，是一個(gè)電尺寸較小的天線。地球距離太陽1.5億公里遠(yuǎn)，從地球觀測整個(gè)太陽的張角也只有32角分，比0.5度大一點(diǎn)，產(chǎn)生強(qiáng)烈太陽爆發(fā)的活動區(qū)尺寸約為20萬公里，而太陽的直徑是140萬公里，如果想識別獨(dú)立太陽活動區(qū)的爆發(fā)活動，需要至少獲得全日面20×20個(gè)像素的圖像，也就是大約1.6角分的空間分辨率。相比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，這個(gè)分辨率要低得多，但對于射電望遠(yuǎn)鏡，就需要電尺寸很大的孔徑，根據(jù)波長計(jì)算，物理孔徑就需要達(dá)到2公里。
DSRT天線陣的直徑雖然只有1公里，但因?yàn)椴捎昧司C合孔徑的成像方法，理論上可以將電尺寸加倍，天線的空間分辨率也提高一倍。什么是綜合孔徑呢?中國的FAST是世界上最大的單孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，巨大的接收面積使其靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他射電望遠(yuǎn)鏡。如果用FAST做成像觀測，需要用特殊的主動反射面控制技術(shù)做漂移掃描，把感興趣的天區(qū)掃一遍。但太陽射電活動十分復(fù)雜，逐點(diǎn)掃描不能同時(shí)獲得全日面的射電信息。此外，做一個(gè)2公里的單孔徑望遠(yuǎn)鏡既不現(xiàn)實(shí)，也不必要。這就要采用綜合孔徑的成像方法——把一個(gè)巨大的鏡頭分解成很多小的孔徑，每個(gè)小孔徑都同步接收外界的信號，然后再把所有小孔徑接收的信號加在一起，就等效為一個(gè)大孔徑天線。太陽的輻射強(qiáng)度非常高，并不需要很高的觀測靈敏度，滿陣的“性價(jià)比”就不高了——可以拿掉很多小孔徑，再通過一系列復(fù)雜的信號干涉處理來成像，仍然可實(shí)現(xiàn)大孔徑的角度分辨率。拿掉很多小孔徑的操作就叫稀疏化，利用稀疏化的小孔徑成像的過程就叫綜合孔徑。例如，DSRT就拿掉了98.9%的小孔徑，極大地降低了建設(shè)成本和工作量。綜合孔徑技術(shù)不但簡化了系統(tǒng)，還能像照相機(jī)一樣，按一下快門，就可以給整個(gè)視場拍個(gè)照，不再需要逐點(diǎn)掃描，這就解決了大視場同時(shí)監(jiān)測的問題。
數(shù)學(xué)上，用天線陣列接收信號，然后通過信號處理來成像，就等效于用一個(gè)凸透鏡來成像，本質(zhì)上都是做了傅里葉變換。而無論是太陽還是其他真實(shí)世界的輻射源，它們的輻射能量都是實(shí)數(shù)，傅里葉變換有一個(gè)性質(zhì)：實(shí)函數(shù)的傅里葉變換的幅度譜是偶函數(shù)，相位譜是奇函數(shù)。這就意味著我們只需要用一半干涉基線進(jìn)行測量，對這些干涉測量值做個(gè)共軛處理，就可以得到另一半干涉基線的測量值，最終獲取了完整的傅里葉變換數(shù)據(jù)。這就是DSRT用1公里的物理孔徑就實(shí)現(xiàn)2公里孔徑的角度分辨率的奧秘。
DSRT天線陣之所以采用圓環(huán)陣列構(gòu)型，也是由綜合孔徑的具體實(shí)現(xiàn)方法——相關(guān)處理和圖像反演決定的。
其一，是通過每對小天線相關(guān)處理，以獲取完整的傅里葉分量的要求。相關(guān)處理時(shí)，把圓環(huán)上的每一個(gè)小天線與所有其他小天線分別配對，并將每一對小天線的接收信號相乘，然后累加一定的時(shí)間(相當(dāng)于照相機(jī)的快門)來提高靈敏度。每一對小天線的間距矢量稱為干涉基線，每條干涉基線的測量值就是這條基線的測量可見度。要想很好成像，干涉基線的分布就需要密集而均勻，圓環(huán)形陣列的干涉基線就是相當(dāng)密集和均勻的。
其二，是圖像反演的要求。受到天線、接收機(jī)和各種連接器和線纜加工精度的限制，小天線的幅度和相位一致性無法做得很好。特別是像DSRT這種空間尺度很大的陣列，望遠(yuǎn)鏡硬件系統(tǒng)的一致性和穩(wěn)定性通常都無法滿足綜合孔徑成像的要求。直接用這樣的望遠(yuǎn)鏡拍照，就像用磨砂玻璃鏡頭去拍照，會導(dǎo)致圖像模糊，甚至根本無法成像。這就需要用到綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡特有的單元一致性定標(biāo)技術(shù)。國際上的其他望遠(yuǎn)鏡都需要通過觀測一個(gè)位置和亮度已知的天文源，來修正望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)自身的誤差。問題是，滿足要求的天文源不是很多，對于大視場的低頻望遠(yuǎn)鏡來講，更難找到這樣的定標(biāo)源。而且，這種用天文源定標(biāo)的方法還會浪費(fèi)寶貴的觀測時(shí)間。DSRT基于特殊的圓環(huán)構(gòu)型，在圓心建設(shè)了受控發(fā)射定標(biāo)信號的定標(biāo)塔，每個(gè)小天線都能無遮擋地接收定標(biāo)信號，相當(dāng)于有一個(gè)隨時(shí)可用、自主可控的定標(biāo)源。通過特殊設(shè)計(jì)定標(biāo)流程和算法，可以把“鏡頭”磨得亮亮的，實(shí)現(xiàn)精確的成像處理。
國際上，采用這種技術(shù)專門觀測太陽的射電望遠(yuǎn)鏡有法國南希天文臺、日本野邊山天文臺、俄羅斯西伯利亞射電天文臺，以及中國國家天文臺在內(nèi)蒙古明安圖的射電望遠(yuǎn)鏡。另外，美國、印度、智利也有主要用于天文觀測、偶爾用于太陽觀測的射電天文臺。它們采用的都是比較傳統(tǒng)的技術(shù)，在圖像質(zhì)量或?qū)崟r(shí)成像能力等方面，都碰到了一些困難。
2022年3月，DSRT完成了一套16部天線的試驗(yàn)系統(tǒng)的搭建，成功地獲取了高質(zhì)量的太陽射電圖像和頻譜，驗(yàn)證了總體方案。雖然試驗(yàn)系統(tǒng)規(guī)模只有法國同頻段系統(tǒng)的1/3，但獲取的太陽射電圖像質(zhì)量明顯更好。2022年11月13日，建設(shè)者們完成了313個(gè)天線的系統(tǒng)集成，正式進(jìn)入聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段。預(yù)計(jì)在2023年6月完成系統(tǒng)調(diào)試，轉(zhuǎn)入試運(yùn)行階段，全面投入科學(xué)觀測。而由于DSRT獨(dú)有的大視場高質(zhì)量成像能力，我們也會在太陽落山后，配合射電天文學(xué)家開展夜天文觀測，充分發(fā)揮重大科技基礎(chǔ)設(shè)施平臺的效能。
應(yīng)該說，DSRT是太陽射電觀測領(lǐng)域的更新?lián)Q代產(chǎn)品，將是世界上同頻段成像質(zhì)量最高的太陽射電天文臺，將為太陽物理、空間天氣研究和預(yù)報(bào)提供非?？煽亢蛯?shí)時(shí)的觀測數(shù)據(jù)。
