四川在线记者 徐莉莎 视频剪辑 陈雨萱

距离稻城县城不到10公里,与皮洛旧石器时代遗址遥遥相望,在海拔3830米的甘孜州稻城县噶通镇,科幻片一样的场景变成了现实——群山环抱间,313台6米直径、形似锅盖的天线,围成了直径1公里的圆环阵。最中间,100米高的定标塔,为射电望远镜的313套天线及接收提供基准信号。


(资料图片仅供参考)

这幅高原上壮丽的图景,正是空间环境地基综合监测网(子午工程二期)圆环阵太阳射电成像望远镜项目现场。

11月13日,最后一座天线安装成功,标志着这颗巨大的“千眼天珠”主体工程正式完工。在接下来为期半年多的联调联试后,这座望远镜有望在2023年6月启用。

作为“观天神器”,它的来头可不小——这是国家重大科技基础设施子午工程二期的重要组成部分,是全球规模最大、性能最强的太阳射电成像望远镜。

从立项之时起,它就被赋予了前沿、重要的使命——监测太阳“打喷嚏”。

高原上建起“观天神器”,每天盯着太阳看

313座小天线,就像313朵向日葵,朝着太阳的方向转动,凝望着浩瀚宇宙。

为什么要专门建一座望远镜,一直盯着太阳看?

“地球空间天气事件的源头就是太阳。”中国科学院国家空间科学中心天气室副研究员、圆环阵太阳射电成像望远镜项目副主任设计师武林说到了关键词——太阳爆发。

“你可以把太阳爆发理解为太阳‘打喷嚏’。”武林说,太阳爆发会喷射出一些物质,也就是高能粒子,专业术语把这叫作日冕物质抛射。

太阳“打喷嚏”的时间和方向不可预测。武林说,“万一它朝着地球打了一个‘大喷嚏’,太阳表面就会向地球抛射出大量的高能粒子,这些高速带电粒子到达地球后,有可能导致地球轨道的卫星受损,地球上的通信网络、电网等受到影响。”

子午工程二期圆环阵太阳射电成像望远镜。

影响有多严重?受太阳爆发影响,北斗定位的误差可能从“厘米级”扩大到“百米级”;使用短波通信的电报、对讲机会全部“趴窝”;地面电网可能因超过设计负载能力而烧毁,导致大面积停电。此外卫星如果工作时遇上高能粒子打击,可能会出现各种意想不到的风险。

“子午工程关注空间天气,我们这个设备作为其中重要的组成部分,最主要科学目标就是每天盯着太阳看。看它什么时候‘打喷嚏’,喷嚏的方向和速度。这样科学家就可以利用这些数据计算,得到精确的高能粒子到达地球的时间,从而为卫星、通信设施、电网等正常运行提供空间天气预警,保障各种设备的运行安全。”武林说。

捕捉电磁波信号,抢抓空间天气预报时间差

日地距离约有1.5亿公里。从这个尺度上来看,这个地球上的望远镜阵列,何以能迅速掌握太阳的一举一动?

武林说,这要从太阳爆发射电探测的机理说起。太阳“打喷嚏”喷射出的高能粒子从太阳传播到地球,需要几十个小时。

但是,有一个“信使”腿脚更利索,可以预告高能粒子的信息。那就是电磁波。

太阳喷射出的高能粒子会在距离太阳表面不同的位置,辐射不同频率的电磁波信号。电磁波在真空中的传播速度约为每秒30万千米。这座“观天神器”通过“捕捉”电磁波信号,就可以在太阳爆发几分钟内就发现它。

接下来就是抓住宝贵的“时间差”,对空间天气进行预报。

一旦望远镜捕获到太阳爆发初期的高能粒子团辐射出的射电信号,它将迅速对其进行高精度成像和频谱探测,进而预测高能粒子到达地球的时间和强度,实现对太阳爆发活动的监测和预警。

建设中的子午工程二期圆环阵太阳射电成像望远镜。

别看一台小天线的直径只有6米,当313个小天线协同观测,就能形成虚拟的超大口径天线,从而实现对太阳爆发活动的高精度成像观测。而对于稻城这个“观天神器”建设之地而言,不仅区位优势明显、地势平坦开阔、天气条件适宜、交通通信水电要件齐备,同时还背靠喜马拉雅山脉,大气湍流较弱,观测稳定性得到有效保证,

望远镜通过捕捉150兆赫兹—450兆赫兹频段的射电频段,对太阳爆发活动进行成像成谱观测,将日冕物质抛射从生成到高日冕传播的全过程“尽收眼底”。

从2个小天线开始,分三步走释放技术风险

翻看这张“天罗地网”的建设时间表会发现,项目建设的节奏明显是先慢后快——2019年获批立项建设,真正的313个天线的大系统建设从2021年末才开始。

由于系统建设规模大、研制难度高,为了充分释放技术风险,项目组采用了“三步走”的建设方案。

第一步,试水,先建起两座小天线,进行系统研制;第二步,验证,建起更复杂的16座天线系统,开展验证研制;最终,才启动313单元大系统的建设。前两步分别于2021年8月、12月完成。在这个过程中,武林和同事杨洋协调各外协单位,从样机研制到联调联试,排查和解决了数百项技术难题。

建设中的子午工程二期圆环阵太阳射电成像望远镜。

16单元验证系统建成时,其天线单元数量仅有国际同频段观测设备1/3。但其针对太阳活动区的观测结果,已优于同类。这样一来,系统的整体功能和性能指标得到了验证,大系统建设的技术风险得到了充分释放。

到了建设阶段,承担分系统研制的各外协单位的建设者们又克服疫情、高寒缺氧的影响,持续在海拔3800米的高原上战斗,最终使得设备系统集成工作比预计时间提前50天完成。

根据规划,在系统集成完成后,圆环阵太阳射电成像望远镜项目将进入紧张的联调联试阶段,预计将在2023年6月完成系统联调联试,进入试运行阶段,全面投入科学研究。

未来,稻城县也将利用这一得天独厚的资源,加快推进“旅游+科技”融合发展,打造天文科技旅游新地标。

视频、图片由中科院国家空间科学中心稻城亚丁台站提供

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