監測太陽“打噴嚏”的“千眼天珠”

飛機從稻城亞丁機場起飛，從舷窗往外看，地面隱現一個小圓點。這個被群山環繞的小圓點，其實是個大家伙，它真實的名字叫圓環陣太陽射電成像望遠鏡，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。

天珠是高原藏區的一種寶石，又稱天眼珠。在藏族文化里，天珠被認為是珍貴的“天降石”，寓意著吉祥美好、健康財運。加之這個圓環陣俯瞰起來像一顆顆寶石，因此圓環陣太陽射電成像望遠鏡便有了“天眼天珠”的美稱。

“千眼天珠”本質上是一座天文望遠鏡，觀測的電磁波是射電波段。這是一種波長比可見光更長的“光”，我們常見的手機通信、無線網絡通信技術工作的頻段就是射電波段。

大多數射電天文望遠鏡是單口徑的，也就只有一個“鍋”，例如“中國天眼”（全稱為500米口徑球面射電望遠鏡）。但稻城的圓環陣太陽射電成像望遠鏡不一樣，它是由數百個小“鍋”組成的一個觀測陣。這種陣列望遠鏡，天文學上叫作綜合孔徑望遠鏡。

作為離地球最近的恒星，太陽給地球和人類帶來了光和熱，孕育了地球上的生命。但當它“打噴嚏”的時候——強烈的太陽爆發會釋放出100億顆百萬噸級原子彈的能量。如果爆發時拋射出來的帶電粒子飛向地球，等離子體團攜帶的巨大能量就會對地球的磁場、電離層、高層大氣密度產生嚴重的影響。這些對地球空間環境產生擾動的事件叫做“空間天氣事件”，會引起地球空間環境劇烈響應。

隨著科學技術的發展，空間天氣（由太陽活動引起的短時間尺度的變化被稱為空間天氣）事件對人類社會的影響越來越大，比如電離層擾動會影響衛星導航定位的精度，磁場的變化會在地面電網、高鐵等大環路導體中產生超強的感應電流，帶來線路故障等。

這時，“千眼天珠”就派上用場了——它像一部超大“射電相機”，對著太陽拍照，給科學家們播報“空間天氣預報”。不過，雖然全球監測太陽“打噴嚏”的設備不少，有Y字形、螺旋形等多種形狀，但做成圓環陣的僅此一個。

在“千眼天珠”的建造過程中，科研團隊原創性提出圓環陣列構型和中心定標總體方案，即“千眼天珠”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，保證射電鏡頭能夠很好地成像。太陽升起后，它們就像向日葵一樣對準太陽，隨著太陽轉動。太陽落山后，“千眼天珠”并沒有“下班”，它還有其他觀測任務，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？因為我們看到的圓環陣，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”。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米的單口徑天線的接收面積，有利于更好地分析太陽活動。

視場，簡單理解就是望遠鏡一次觀測所能看到的區域大小。而視場大小和望遠鏡接收信號的“鍋”的口徑緊密相關：口徑越大，視場越小。我們以生活中的常見物品來解釋，比如半徑越大的放大鏡，焦距越大，越能放大物體的局部，但是看到的視場就越小。你也可以想象一下，平時我們用手機拍照，擴大焦距雖然能放大物體的局部，但我們看到的范圍卻變小了。

此外，小口徑的望遠鏡建造技術相對成熟，成本較低、風險較小。當然，口徑越小也就意味著接收到的輻射能量越弱。所以，綜合科學目標和成本，科研人員給“千眼天珠”選擇了相對較小的6米口徑，使其能有較大的視場。

保證了視場之后，我們需要分辨視場內盡可能多的像素點。天文學上，用角分辨率（成像系統或系統的一個部件的分辨能力）來指代觀測精細程度。角分辨率與望遠鏡可以接收到信號的范圍尺度成反比，這與上述放大鏡原理類似，尺寸越大，看到的結構越精細。

對于單口徑望遠鏡而言，不論角分辨率是多少，它能看到的都只是這個方向上的一個像素點。而對于陣列而言，信號接收范圍則是陣列分布范圍的最遠距離，這個距離在天文學上被稱為基線長度。稻城太陽射電望遠鏡的基線長度為1千米。

在成像概念里，陣列用到的物理原理是光波干涉。如右圖所示，宇宙中，兩個點發出的光波在望遠鏡平面處會形成明暗相間的干涉條紋?？茖W家通過對干涉條紋進行處理，就能還原出空間中哪個地方有發出光波的源。望遠鏡的最大間距越大，條紋越精細，科學家還原出來的輻射光波的點也就越精細，即得到的圖像分辨率也就越高。

“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。而“千眼天珠”的優勢在于，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。由此可見，“千眼天珠”與“中國天眼”，雙方雖各有優勢，但聯手能發揮更大作用。

隨著國家重大科技基礎設施綜合效能的釋放，“千眼天珠”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。

什么是子午工程？

子午者，南北也。子午工程是中國空間科學領域首個國家重大科技基礎設施，一期工程2008年開工建設，2012年正式運行。

子午工程一期大部分觀測設備，分布于東經120度子午線附近，如同古人利用長城烽火臺傳遞情報信息，沿南北方向布局設備有利于捕獲空間天氣擾動的傳播和演化過程。

為實現對我國領土的覆蓋，以及對中、小尺度空間天氣物理過程的探測，子午工程二期應運而生。在一期工程的基礎上，它在東經100度和北緯40度附近，增加兩條觀測鏈形成“井”字形布局，空間環境監測網絡，由此，子午工程將實現從地面對日地空間的三維立體式探測?！扒а厶熘椤笔亲游绻こ潭跇酥拘栽O備之一。