千眼天珠

袁懋

2023年9月27日，我國(guó)又一個(gè)大國(guó)重器——稻城太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡正式建成，開(kāi)始履行國(guó)家賦予它的光榮使命。

“千眼天珠”——稻城太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡鳥(niǎo)瞰圖

高原上的“千眼天珠”

稻城太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡（Daocheng Solar Radio Telescope，簡(jiǎn)稱DSRT）是國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)”——子午工程二期的主要支撐設(shè)備之一，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心運(yùn)行管理。

這座射電望遠(yuǎn)鏡有“千眼天珠”的雅號(hào)，這個(gè)名字是科學(xué)設(shè)備和民族文化的完美結(jié)合。

稻城太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡由313座口徑為6米的小型望遠(yuǎn)鏡組成。這些小型單元分布在直徑1000米的圓環(huán)上，組成了一個(gè)觀測(cè)蒼穹的大陣，浪漫的科學(xué)家將它們稱為“千眼”。

稻城太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡位于四川省甘孜州稻城縣海拔約3800米的金珠鎮(zhèn)，那里是我國(guó)藏族聚居區(qū)之一。天珠是高原藏區(qū)的一種寶石，又稱天眼珠。在藏族文化里，天珠被認(rèn)為是珍貴的“天降石”，寓意著吉祥美好、健康財(cái)運(yùn)。加之高原上的天線陣俯瞰起來(lái)像是一顆顆寶石，因此也有了“天珠”的美麗名稱。

由數(shù)百個(gè)小“鍋”組成的望遠(yuǎn)鏡

“千眼天珠”——稻城太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡本質(zhì)上是一座天文望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)的電磁波是射電波段。這是一種波長(zhǎng)比可見(jiàn)光更長(zhǎng)的“光”，我們常見(jiàn)的手機(jī)通信、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)（WIFI）工作的頻段就是射電波段。

大多數(shù)射電天文望遠(yuǎn)鏡是單口徑的，也就是只有一個(gè)“鍋”，例如“中國(guó)天眼”FAST（全稱為500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡）。但稻城太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡不一樣，它是由數(shù)百個(gè)小“鍋”組成的一個(gè)觀測(cè)陣。這種陣列望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)上叫作綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡。下圖展示了大陣上的部分組成單元——口徑6米的小望遠(yuǎn)鏡，它們每一個(gè)都可以獨(dú)立接收宇宙信號(hào)。

?不同季節(jié)下“千眼天珠”——稻城太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡側(cè)視圖。圖中每一個(gè)單元的拋物面直徑都是6米，并配套有信號(hào)接收系統(tǒng)

除了數(shù)百個(gè)小望遠(yuǎn)鏡單元，大陣的中央還有一個(gè)高高的塔，被稱為信號(hào)定標(biāo)塔。它的作用是什么呢？其實(shí)，它有點(diǎn)像交響樂(lè)隊(duì)演奏前，用雙簧管給整個(gè)樂(lè)隊(duì)確定基準(zhǔn)音。由于各個(gè)小望遠(yuǎn)鏡都有自己的信號(hào)接收傳輸系統(tǒng)，因此會(huì)出現(xiàn)每個(gè)信號(hào)的接收時(shí)間和信號(hào)強(qiáng)度不統(tǒng)一的情況。雖然這些誤差極其微小，但是為了保障科學(xué)目標(biāo)的準(zhǔn)確性，在觀測(cè)時(shí)由中間的定標(biāo)塔向所有單元發(fā)射一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，然后根據(jù)這個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，來(lái)校準(zhǔn)所有單元之間的誤差，這保障了系統(tǒng)達(dá)到最完美狀態(tài)。

給太陽(yáng)快速“拍個(gè)照”

為什么要建造一個(gè)由多個(gè)小“鍋”組成的大陣，而不去建造一個(gè)超大單口徑望遠(yuǎn)鏡呢？這是出于對(duì)科學(xué)目標(biāo)和建造成本的綜合考量。

“千眼天珠”——稻城太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡的主要科學(xué)目標(biāo)是監(jiān)測(cè)太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)，預(yù)警以及追蹤太陽(yáng)爆發(fā)對(duì)地球航天活動(dòng)和通信等帶來(lái)的影響。對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行快速的成像能動(dòng)態(tài)捕捉太陽(yáng)的變化，通俗而言，就是給太陽(yáng)快速“拍照”。稻城太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡最快可以在毫秒（1毫秒=0.001秒）內(nèi)抓拍到太陽(yáng)在射電波段內(nèi)的細(xì)微變化。

實(shí)現(xiàn)這種全局“拍照”功能的射電望遠(yuǎn)鏡，需要做到兩點(diǎn)：其一就是觀測(cè)視場(chǎng)足夠大，能涵蓋觀測(cè)物體的全部輪廓；其二，盡可能提高視場(chǎng)內(nèi)可分辨的像素點(diǎn)。

?放大鏡成像示意圖。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(chǎng)就越小

視場(chǎng)，簡(jiǎn)單理解就是望遠(yuǎn)鏡一次觀測(cè)所能看到的區(qū)域大小。而視場(chǎng)大小和望遠(yuǎn)鏡接收信號(hào)的“鍋”的口徑緊密相關(guān)，口徑越大，視場(chǎng)越小。我們以生活中的常見(jiàn)物品來(lái)解釋，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(chǎng)就越小。你也可以想象，我們用手機(jī)拍照，擴(kuò)大焦距能放大物體的局部，但是看到的范圍卻小了。此外，小口徑的望遠(yuǎn)鏡建造技術(shù)相對(duì)成熟，成本較低、風(fēng)險(xiǎn)較小。當(dāng)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(xué)目標(biāo)和成本，稻城太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡選擇了相對(duì)較小的6米口徑，使其能有較大的視場(chǎng)。

保證了視場(chǎng)之后，我們需要分辨視場(chǎng)內(nèi)盡可能多的像素點(diǎn)。天文學(xué)上，用角分辨率（成像系統(tǒng)或系統(tǒng)的一個(gè)部件的分辨能力）來(lái)指代觀測(cè)精細(xì)程度。角分辨率與望遠(yuǎn)鏡可以接收到信號(hào)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(jié)構(gòu)越精細(xì)。

?兩個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的光，形成明暗相間的干涉條紋

?望遠(yuǎn)鏡最遠(yuǎn)間距——基線越大（圖中Θ 表示條紋間距，D表示基線長(zhǎng)度），條紋越細(xì)，所能還原的點(diǎn)光源也就越精細(xì)

對(duì)于單口徑望遠(yuǎn)鏡而言，不論角分辨率是多少，它能看到的都只是這個(gè)方向上的一個(gè)像素點(diǎn)。而對(duì)于陣列而言，信號(hào)接收范圍則是陣列分布范圍的最遠(yuǎn)距離，這個(gè)距離在天文學(xué)上被稱為基線長(zhǎng)度。稻城太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡的基線長(zhǎng)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。如下圖所示，宇宙中，兩個(gè)點(diǎn)發(fā)出的光波在望遠(yuǎn)鏡平面處，會(huì)形成明暗相間的干涉條紋?？茖W(xué)家通過(guò)對(duì)干涉條紋進(jìn)行處理，就能還原出空間中哪個(gè)地方有發(fā)出光波的源。望遠(yuǎn)鏡的最大間距越大，條紋越精細(xì)，科學(xué)家還原出來(lái)的輻射光波的點(diǎn)也就越精細(xì)，即得到的圖像分辨率也就越高。

“千眼天珠”的未來(lái)

除了完成日地空間監(jiān)測(cè)任務(wù)之外，“千眼天珠”——稻城太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡在不久的將來(lái)，還要實(shí)現(xiàn)許多宏偉的目標(biāo)。

到了晚上，稻城太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡就無(wú)法看到太陽(yáng)了，在這十幾個(gè)小時(shí)中，這座大陣會(huì)歇息下來(lái)等待黎明嗎？當(dāng)然不是，它不僅是白天太陽(yáng)的“凝視者”，同時(shí)也是夜間宇宙深空的“巡視員”。稻城太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡的一大優(yōu)勢(shì)就是觀測(cè)視場(chǎng)很大，一次觀測(cè)就能看清一大片天區(qū)，這也就意味著這座大陣可以高效地開(kāi)展巡天觀測(cè)。相信在不久的將來(lái)，我們就能收到“千眼天珠”巡視宇宙的各種新發(fā)現(xiàn)，例如射電脈沖星、快速射電暴、射電星系等。

此外，稻城太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡每一個(gè)小單元都可以把接收到的信號(hào)疊加，所以當(dāng)天線陣的基線足夠長(zhǎng)，小單元足夠多、足夠密集時(shí)，疊加起來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度將非常大。而天線陣的升級(jí)（例如加長(zhǎng)基線、增加單元密度）相對(duì)較容易實(shí)現(xiàn)，因此，未來(lái)“千眼天珠”還會(huì)迎來(lái)升級(jí)，變成名副其實(shí)的“千眼”大陣。

凝視紅日，巡查深空，讓我們一起靜待“千眼天珠”大陣的捷報(bào)吧！

（責(zé)任編輯 / 高琳? ? 美術(shù)編輯 / 韋英章）