導(dǎo)語：今年8月，位于四川甘孜州稻城縣的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“子午工程”二期圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡設(shè)備，經(jīng)過四年的建設(shè)，正式進(jìn)入了聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段。它將成為我國太陽監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的一部分，對(duì)太陽活動(dòng)進(jìn)行精密觀測(cè)，為太空和地面設(shè)施的安全運(yùn)行提供預(yù)警和保障。

一、“子午工程”意義何在

1.解決空間天氣對(duì)人類的活動(dòng)影響

太陽爆發(fā)時(shí)會(huì)拋射出大量高能粒子，在地球表面二十公里以上的外層空間是發(fā)生磁暴、太陽風(fēng)等空間活動(dòng)的重災(zāi)區(qū)。這些事件被稱為“空間天氣”，如同地球上的狂風(fēng)暴雨，不僅會(huì)造成地球上的通訊中斷、精密儀器損壞等問題，還可能危害航天員生命安全、永久損壞航天器。

因此，“子午工程”的科學(xué)目標(biāo)是：了解空間環(huán)境中的災(zāi)害性空間天氣的變化規(guī)律，與之前發(fā)射升空的“羲和”號(hào)、“夸父一號(hào)”衛(wèi)星以及未來的近日探測(cè)衛(wèi)星協(xié)同工作，全面獲取這個(gè)日地空間環(huán)境信息并發(fā)展綜合性的預(yù)報(bào)方法，為減少空間環(huán)境變化對(duì)我國的影響提供基礎(chǔ)。

• 太陽磁場(chǎng)源源不斷地釋放高能粒子

2.推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)工程的全面鋪開

“子午工程”是“東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)子午鏈”的簡(jiǎn)稱。

自2008年起，我國就正式建設(shè)和完善這一工程。它是全球跨度最長(zhǎng)、功能最全、綜合性最高的太陽活動(dòng)監(jiān)測(cè)鏈。其范圍覆蓋了東經(jīng)120°子午鏈和中國附近的北緯30°緯度線上空，基本滿足了中國地面與太空環(huán)境下的需求范圍。后期還可能通過與俄羅斯和澳大利亞合作拓展范圍以貫穿整條子午線。這項(xiàng)工程的全面展開，有助于探尋空間環(huán)境的區(qū)域性特征和整個(gè)地球外層空間環(huán)境的關(guān)系。

• “子午工程”形成了“井”字觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)

經(jīng)過多年的建設(shè)，“子午工程”一期已經(jīng)完成，沿著東經(jīng)120°、北緯30°建設(shè)十五個(gè)地面觀測(cè)站，形成一個(gè)“十”字，對(duì)近地空間環(huán)境展開監(jiān)測(cè)。

同時(shí)，我國還在南極中山站建立綜合觀測(cè)站，針對(duì)這條子午線的最南端?！白游绻こ獭倍谀繕?biāo)是探索和描繪出日地間的能量傳輸、轉(zhuǎn)換與耗散的過程與路徑，在硬件上進(jìn)一步將原有體系橫向化和立體化，沿著東經(jīng)110°、北緯40°，再建十六個(gè)地面觀測(cè)站，以一個(gè)“井”字對(duì)我國附近的空間進(jìn)行全覆蓋監(jiān)測(cè)。在這之中，對(duì)于太陽表面活動(dòng)的高精度監(jiān)測(cè)是整個(gè)工程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，圓環(huán)陣射電望遠(yuǎn)鏡是面向這一任務(wù)的重點(diǎn)科學(xué)裝置。

二、“千眼天珠”有何玄機(jī)

圓環(huán)陣射電望遠(yuǎn)鏡是“觀天神器”，有“千眼天珠”之稱。目前，它作為國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“子午工程”二期的“陣眼”，是全球規(guī)模最大、性能最強(qiáng)的太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡。

建成后的圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)由313臺(tái)直徑六米的天線構(gòu)成的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，這其中的每一臺(tái)天線都形似反扣的鍋蓋，整個(gè)系統(tǒng)的所有天線都均勻分布在直徑一公里的巨大圓環(huán)上，從上空看猶如一顆巨大的“千眼天珠”。

• 如同倒扣鍋蓋的天線

在系統(tǒng)集成和聯(lián)調(diào)聯(lián)試流程結(jié)束后，整套系統(tǒng)中的天線都將一致地運(yùn)行：在白天進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，所有的望遠(yuǎn)鏡都像向日葵一樣，每時(shí)每刻都朝著太陽的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以接收太陽發(fā)出的電磁波信號(hào)。每一臺(tái)天線都由圓環(huán)中心約百米高的標(biāo)定塔進(jìn)行距離上的標(biāo)定，同時(shí)標(biāo)定塔為整個(gè)觀測(cè)鏈路的調(diào)校提供標(biāo)定基準(zhǔn)。

為了充分研發(fā)和驗(yàn)證技術(shù)，整個(gè)望遠(yuǎn)鏡工程采用了“三步走”的建設(shè)方案：首先建起兩座天線進(jìn)行系統(tǒng)研制；其次建起更復(fù)雜的16個(gè)天線單元系統(tǒng)驗(yàn)證信號(hào)融合與成像方法；最終才啟動(dòng)了313個(gè)天線單元的整體系統(tǒng)建設(shè)。

• 整套系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)巨大的圓環(huán)

• 每臺(tái)天線都面朝太陽接收信號(hào)

三、“千眼天珠”如何對(duì)日成像

“千眼天珠”對(duì)日觀測(cè)的核心，在于對(duì)太陽電磁波的高精度成像。

太陽爆發(fā)出的高能粒子會(huì)在太陽球體中的不同位置輻射不同頻率的電磁波信號(hào)。日地距離約有1.5億公里，對(duì)地球造成主要影響的高能粒子傳播速度較慢，需要幾十個(gè)小時(shí)到達(dá)地球，而爆發(fā)產(chǎn)生的電磁波以光速傳播，僅僅需要八分鐘就能傳播到地球。

因此，“千眼天珠”通過捕捉電磁波信號(hào)進(jìn)行成像，就可以在太陽爆發(fā)幾分鐘內(nèi)發(fā)現(xiàn)異常。在獲得確切的結(jié)論后仍有充足時(shí)間進(jìn)行反應(yīng)，通過寶貴的時(shí)間差進(jìn)行空間天氣預(yù)報(bào)。

• 電磁波是高能粒子的“前哨”

完成這一目的需要一種成像方法。傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡建造費(fèi)時(shí)費(fèi)力且異常昂貴，一定程度上已經(jīng)逼近了人類硬件制造的極限，目前全球很少有修建更大型望遠(yuǎn)鏡的計(jì)劃。

相對(duì)而言，另一種技術(shù)成為了主流方案：不同地點(diǎn)的射電望遠(yuǎn)鏡可同時(shí)對(duì)宇宙同一區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，它們采集的信號(hào)有一些差別（尤其是不同設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)鏡），通過算法對(duì)這些不同波段的信號(hào)進(jìn)行“取長(zhǎng)補(bǔ)短”處理后進(jìn)行成像，能夠達(dá)成“組網(wǎng)”的效果，可大大提高分辨率。

這種方案主要分為兩類，分別是對(duì)精度和范圍的取舍：一類是在很大的區(qū)域范圍內(nèi)（洲際范圍）使用多臺(tái)不同波段的大型望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行組網(wǎng)，另一類是在相近區(qū)域使用大量小型望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行成像觀測(cè)。

“千眼天珠”屬于第二類：一臺(tái)小天線的直徑只有六米，能力非常有限，但當(dāng)313個(gè)小天線協(xié)同觀測(cè)，其“虛擬望遠(yuǎn)鏡”的直徑達(dá)到了一公里，通過捕捉爆發(fā)過程150-450GHz的不同波段信號(hào)，對(duì)太陽爆發(fā)活動(dòng)進(jìn)行成像，能夠?qū)⑻柛吣芑顒?dòng)全過程盡收眼底。

• 新建太空觀測(cè)計(jì)劃的主流方案-陣列望遠(yuǎn)鏡

在使用過程中陣列望遠(yuǎn)鏡也具備極大優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡作為一個(gè)整體，維護(hù)成本和要求極高，關(guān)鍵組件的設(shè)計(jì)制造難。而陣列望遠(yuǎn)鏡即使有所損壞，替換掉損壞的天線并對(duì)系統(tǒng)重新進(jìn)行調(diào)校即可運(yùn)行，在這個(gè)過程中其他天線不需要停機(jī)，這對(duì)于整套系統(tǒng)可持續(xù)的運(yùn)行有很大的意義。

結(jié)語：

“子午工程”二期將以全新的架構(gòu)、硬件和方法首次從地面實(shí)現(xiàn)對(duì)日地空間環(huán)境全圈層、多要素綜合的立體式探測(cè)。這套系統(tǒng)將進(jìn)一步完善，并成為國際上綜合能力最強(qiáng)的地基空間環(huán)境觀測(cè)網(wǎng)，在天基網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同下，使我國空間環(huán)境監(jiān)測(cè)能力進(jìn)入世界前列。