雖然太陽物理學(xué)是天體物理學(xué)中最成熟的分支之一，但太陽仍然面臨著許多突出的基本問題。這些問題包括確定太陽大氣的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)、色球和日冕的磁場(chǎng)演化、日冕加熱、脈沖能量釋放的物理、高能粒子加速和輸運(yùn)、日冕物質(zhì)拋射(CMEs)和沖擊的物理以及空間天氣驅(qū)動(dòng)因素的太陽起源。

平方公里陣列(SKA)將是有史以來最大的射電望遠(yuǎn)鏡陣列，旨在提供超過1平方公里的收集面積，該儀器將分兩個(gè)階段建造，即SKA1和SKA2。

SKA1將相當(dāng)于最終采集區(qū)的10%左右，部署將于2020年開始，而調(diào)試預(yù)計(jì)將于2024年開始。SKA2將與整個(gè)最終系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，其建設(shè)將在2030年后開始，視SKA1的性能而定。SKA1將由兩個(gè)陣列組成，分別在澳大利亞和南非建造SKA1- low和SKA1- mid。兩個(gè)陣列的期望結(jié)構(gòu)如圖上襦所示，陣列的最大基線為SKA1-LOW約65公里，SKA1-MID約150公里。SKA1-LOW將從~50 MHz到350 MHz進(jìn)行觀測(cè)，并將包括約13.1萬套簡(jiǎn)單的天線。

這些天線被安置在直徑100米的基站上，每個(gè)基站擁有90套雙偏振天線。在每個(gè)基站中，所有天線的信號(hào)都將按相位相加，形成一個(gè)“孔徑陣列”。站與站之間的距離將從陣列中央向外邊緣增加，達(dá)到數(shù)公里。該SKA1-MID將在350兆赫至15.3兆赫的范圍內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)，并將其分為三個(gè)頻段。該陣列將包括133個(gè)直徑為15米的信號(hào)接收器，并將包括64個(gè)直徑為13.5米的信號(hào)接收器。SKA將進(jìn)行干涉成像和波束形成兩種觀測(cè)，所有干涉成像觀測(cè)都將采用光譜法。

利用SKA進(jìn)行太陽觀測(cè)

對(duì)于在“干涉模式”下工作的給定子陣列，每對(duì)基站將互相關(guān)聯(lián)，以在要求的帶寬和信道數(shù)上提供全極化可見性。在“波束形成模式”下，每個(gè)子陣列可以形成多個(gè)并列陣列波束，并獨(dú)立處理每個(gè)波束的數(shù)據(jù)。有興趣使用SKA進(jìn)行研究的科學(xué)家們已經(jīng)成立了“科學(xué)工作組”(SWGs)。其中之一是太陽、日球和電離層(SHI) SWG，研究小組有來自四大洲和20個(gè)國家的60多名成員，目前由E.P. Kontar(格拉斯哥)和D. Oberoi(浦那)擔(dān)任主席。

科學(xué)工作組的科學(xué)興趣包括平靜的太陽、活動(dòng)區(qū)域、太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射、太陽風(fēng)、日地系統(tǒng)和電離層。SHI團(tuán)隊(duì)已經(jīng)確定，SKA1-LOW和SKA1-MID都將能夠在干涉成像和波束形成模式下觀測(cè)太陽。SKA1的部署將極大地受益于太陽物理，因?yàn)樗八从械慕嵌?、光譜和時(shí)間分辨率，以及靈敏度將為許多重要的太陽物理問題提供重要新見解。Nindos等人(2019)討論了關(guān)于太陽射電學(xué)公開問題的細(xì)節(jié)，以及相關(guān)的SKA觀測(cè)如何能帶來革命性的結(jié)果。

對(duì)日冕等的觀測(cè)將使研究人員能夠以前所未有的細(xì)節(jié)探索其結(jié)構(gòu)和演化。在納米耀斑模型的框架下，對(duì)許多弱瞬態(tài)事件的探測(cè)可以促進(jìn)對(duì)它們對(duì)日冕加熱的貢獻(xiàn)作出可靠的估計(jì)。SKA1觀測(cè)的一個(gè)非常重要結(jié)果將是：在其他儀器無法到達(dá)的高度直接和間接測(cè)量磁場(chǎng)。這些測(cè)量結(jié)果既可用于自由磁能預(yù)估計(jì)算，也可用于有源區(qū)、日冕物質(zhì)拋射磁場(chǎng)的評(píng)估。SKA1的觀測(cè)將提供一個(gè)與電子加速密切相關(guān)的相干和非相干發(fā)射的綜合視圖，以及在擴(kuò)環(huán)中由沉淀和捕獲電子產(chǎn)生的陀螺同步輻射，以及日冕物質(zhì)拋射、沖擊和相關(guān)現(xiàn)象。

這些觀測(cè)有可能為解決關(guān)鍵的太陽物理學(xué)問題提供重大進(jìn)展：

(1)電子加速位點(diǎn)的位置和磁構(gòu)型

(2)粒子加速的機(jī)制

(3) flam - cme關(guān)系

(4) 日冕物質(zhì)拋射從早期發(fā)展到外冕的時(shí)間和演化過程

(5)日冕激波驅(qū)動(dòng)因素以及電子激波加速的位置和效率

(6) SEPs的起源

最后，SKA1觀測(cè)也會(huì)有很強(qiáng)的日球分量，因?yàn)樗鼈兛梢韵拗铺栵L(fēng)中的湍流和波浪(Nakariakov et al. 2015)。最重要的是，正如新儀器在許多方面都比它們的前輩更勝一籌一樣，新發(fā)現(xiàn)尚無法預(yù)測(cè)的可能性很高。SKA與新一代陸基和星載太陽能儀器之間的協(xié)同觀測(cè)，可進(jìn)一步促進(jìn)這一令人興奮的前景。

博科園｜研究/來自：歐洲太陽射電天文學(xué)家社區(qū)

參考期刊《太空研究進(jìn)展》

DOI: 10.1016/j.asr.2018.10.023

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