監測行星際閃爍有何實用價值
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          1. 監測行星際閃爍有何實用價值

            “十三五”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)的重大設備之一——行星際閃爍監測望遠鏡(IPS望遠鏡)日前正式建成,至此,子午工程二期項目已具備迎接工藝驗收的條件。

            什么是行星際閃爍?簡而言之,就是行星際物質造成的射電波閃爍。它和我們平時熟知的“星星眨眼”既相似又不同。那么,我國首臺、國際上最先進的專門用于行星際閃爍監測的望遠鏡究竟有多重要?它對世界空間天氣研究將帶來哪些助力呢?

            行星際閃爍不是“宇宙閃爍”

            人們抬頭望向夜空,會看到星星的光芒閃爍不定。實際上,不是星星本身在閃,而是星光穿過地球大氣層的時候,被湍急流動且密度不勻的大氣干擾了。相信大家在日常生活中都留意過更小尺度的大氣擾動,比如,晴天站在太陽底下,會看到自己影子的頭頂上方熱浪翻滾,煞是熱鬧。此時,如果在那里有一只螞蟻“科學家”,它還會觀測到陽光明暗閃爍,這種閃爍和人們所看到的星光閃爍本質上是一樣的。

            行星際閃爍也是遙遠星光被湍急流體擾動之后的結果,只不過這里的流體不是地球大氣,換成了行星際空間里的太陽風,星光也不是普通的可見光,而是在射電波段。

            太陽風是從太陽上層大氣噴射而出的超高速帶電粒子流。在太陽日冕層的高溫下,氫、氦等原子被電離成帶正電的質子、氦原子核與帶負電的自由電子。它們運動速度極快,不斷掙脫太陽的引力束縛,飛向周圍的空間,形成太陽風。由于太陽在不停地自轉,所以太陽風也會旋轉著向外推進,就像草坪上的旋轉灑水噴頭一樣。

            太陽風的流速不是恒定的,一般在每秒200-800公里,其中的物質密度也不均勻。從地球觀測遙遠星體時,星體發出的射電波會被太陽風散射、折射,造成信號閃爍,該現象就被稱為行星際閃爍。再換個思路來考慮這個問題,如果遙遠星體是穩定已知的,那么通過觀測行星際閃爍,就可以獲知太陽風的情況。也就是說,原本是干擾源的太陽風成了科學家要研究的對象。

            這里需要澄清一個概念,有的人說行星際閃爍有“三體”即視感,這可不是一回事。此前電視劇《三體》熱播時,許多觀眾被“整個宇宙將為你閃爍”的情節驚艷到,但那個“閃爍”和“行星際閃爍”無關?!度w》里的“閃爍”是指覆蓋整個天空的宇宙微波背景(宇宙誕生時“大爆炸”的余暉)的閃爍,而目前所知,這種描述僅存在于科幻故事中。

            行星際閃爍理論是由英國天文學家安東尼·休伊什提出的。上世紀50年代,他在金牛座觀測到一個明亮射電天體的不規則閃爍,并猜測是由太陽風所引起。1964年他和助手們通過使用射電干涉儀,觀測到了更多射電源的閃爍現象,這些觀測數據支持了他之前的推斷。為了研究行星際閃爍,休伊什于1967年建了一座占地16000平方米的射電望遠鏡陣列,取名為“行星際閃爍陣列”,不過令人意外的是,這座陣列最早也是最知名的成就,卻是首次發現脈沖星。

            有利于透徹了解空間天氣

            子午工程二期副總工程師、中國科學院國家空間科學中心研究員顏毅華此前介紹,通過監測行星際閃爍,可以重建太陽風的三維結構,了解它從太陽到地球的擴散過程,有助于揭示太陽活動與地球空間響應的因果關聯。

            研究太陽風不單具有科學意義,隨著人類科技發展的步伐越邁越遠,地球和太空的界限開始模糊,以太陽活動為代表的空間天氣的重要性愈發凸顯。

            最近一兩年,隨著太陽活動周期的高峰到來,極光頻頻在低緯度地區現身。雖然極光是“美人”,但其背后是“野獸”,是猛烈的太陽風沖擊地球磁場的結果。太陽風攜帶大量高能帶電粒子,在太陽活動高峰期,這些高能帶電粒子會轟擊地球大氣,破壞電離層,干擾地面短波通信、衛星通信、導航系統,甚至會使輸電設備產生故障。高能帶電粒子攜帶的能量還能加熱地球高空大氣,使之膨脹抬升,導致運行軌道較低的衛星失速隕落。2022年2月,美國SpaceX公司的49顆星鏈衛星剛剛上天,就被膨脹的大氣拽下來38顆。

            雖然人類生活在地球磁場和大氣圈的底層,被地磁場和大氣保護得很好,但到太空出差的航天員們就不能對太陽風掉以輕心了。尤其是未來要對月球或更遠的深空進行載人探測的話,更需要對空間天氣有透徹了解。

            所以,除了具有科研價值之外,觀測空間天氣還是一種防災減災的措施,對國計民生有重大意義。比如,在太陽風暴來襲之前,可以指示衛星提升軌道、航天員避免出艙活動、對地面輸電線路進行優化調整、國際航班繞飛通信干擾較強的極地,等等。

            那么,為什么要通過觀測行星際閃爍來觀測太陽風呢?還有沒有其他手段?目前,觀測日冕層和太陽風主要可歸為實地觀測與間接觀測兩個流派。實地觀測通常是把觀測設備發射到太空中,觀測日冕或者采集太陽風粒子;間接觀測則通過了解行星際閃爍來反推太陽風的結構。

            實地觀測的一個典型案例是歐洲航天局與美國航空航天局共同運行的太陽和日 球 層 探 測 器(簡 稱SOHO)。它 于1996年開始服役,長期運行在太陽和地球之間的拉格朗日L1點,距離地球150萬公里(日地距離的1%),與地球同步圍繞太陽公轉,永不被地球遮擋。 SOHO上的LASCO日冕儀可對離太陽2000萬公里(日地距離的14%)以內的日冕進行觀測,COSTEP-ERNE分析儀則捕捉并分析太陽風粒子的物質構成。

            由此可知,實地觀測非常依賴信號強烈的實體,所以這種觀測方法側重于觀察太陽風的源頭和“品嘗”它到達地球時的“味道”,但對于中間運行的這一大段信息則未能涉及。而通過行星際閃爍來間接觀測,其對象是“不空的虛空”本身,能夠填補實地觀測方法留下的空白。

            另外從成本上來考慮,由于對行星際閃爍的觀測是在電磁波的射電頻段(幾百兆赫,波長米級)進行,這個頻段能夠輕松繞過雨雪塵霰等障礙物,所以在地面上就可以開展且不受天氣影響,成本可控、維護方便。

            實地觀測法和間接觀測法是取長補短、相輔相成的關系。我國除了建設行星際閃爍監測望遠鏡之外,也在積極研發用于實地觀測的日冕儀。2023年10月,光譜成像日冕儀在麗江玉龍站通過了工藝測試并成功獲得日冕觀測圖像,為未來運行在太空中的日冕儀研制工作奠定了基礎。

            為何監測望遠鏡要建3個站點

            行星際閃爍是在電磁波的射電波段觀測的,所觀測的“星光”通常來自遙遠、明亮而穩定的類星體。人們平時看到的光,以及看不到的紅外線、紫外線、X射線、微波、手機信號等都是電磁波,區別只在于波長/頻率不同??梢姽獾牟ǘ问?80-800納米,而觀測行星際閃爍的射電波段波長則在米級。

            雖然行星際閃爍監測望遠鏡叫作“望遠鏡”,但外觀看起來更像一口天線“大鍋”,和大家熟悉的光學望遠鏡的模樣完全不同。不過,它的工作原理和光學望遠鏡是一回事:通過反射面把電磁波匯聚到一個焦點上,在那里接收聚焦后的“成像”。望遠鏡成像的分辨率由口徑和觀測波長決定,在同樣的分辨率下,口徑和波長成正比。射電波段的波長比可見光長得多,所以射電望遠鏡一個個都是“大鍋”的模樣。

            行星際閃爍觀測最常用的頻率是327兆赫,對應波長91.7厘米,這是氘原子的輻射波長,在射電天文學中十分重要。這次我國建成的行星際閃爍監測望遠鏡還有654兆赫與1420兆赫兩個頻段,完全可以滿足高靈敏度的觀測與計算需求。原本射電波不受晝夜或天氣影響,可以全天候觀測,不過,由于觀測主體是太陽風,所以望遠鏡集中在白天運行。單次觀測不足以從射電源的模糊閃爍上判斷太陽風的結構,而隨著時間推移,太陽不斷自轉,太陽風向外運動,就能像CT成像切片一樣,構建太陽風的三維立體模型。

            我國的行星際閃爍監測望遠鏡并非單臺設備,而是包括了一主兩輔3個站點。其中,主站位于內蒙古的明安圖,由三排南北長140米、東西寬40米的拋物柱面天線組成,兩個輔站則分別設在伊和高勒與烏日根塔拉,各自擁有一座直徑16米的拋物面天線。3個站點基本組成一個等邊三角形,邊長200公里左右。

            為什么要建3個站點呢?這就好比水面上起了波紋,在池底的幾個觀測點會陸續看到蕩漾的光影,時間先后與波紋的運行方向和速度有關。同理,從多個位置觀測同一個遙遠星體的射電信號波動,會提供“這個站點觀測到了閃爍……過了一段時間……另一個站點觀測到了相同模式的閃爍”這樣的信息,建立這種時間相關性之后,就可以反過來推導出太陽風運行速度信息。

            此外,通過觀測閃爍幅度,還能計算出太陽風物質的密度。通過長時間對閃爍幅度進行測量,科學界已經繪制出閃爍水平和太陽距角(射電源與太陽的視覺距離)的一套標準關系,也就是“標稱曲線”。把實際觀測的數據和標稱曲線對比,即可得到太陽風物質的密度。

            助力打造地基空間監測系統

            自行星際閃爍現象被發現以來,世界上許多國家都開展了這方面的觀測研究。比如,休伊什在英國建造的那座望遠鏡陣列是行星際閃爍觀測的鼻祖,里程碑意義和發現脈沖星的傳奇故事自不用說。日本名古屋大學在豐川、富士、木曾、菅平建設的多站觀測設備,在觀測記錄的連續可靠方面頗有盛名。

            中國在行星際閃爍觀測方面起步較晚,始于1999年。當時沒有專用于這類觀測的設備,用的是北京天文臺(現為國家天文臺)密云觀測站的綜合孔徑射電望遠鏡陣(28面9米口徑的天線)。2008年起,密云觀測站的50米射電望遠鏡承擔了子午工程中行星際閃爍部分的預研觀測任務。2008年5月,國家天文臺在烏魯木齊觀測站的25米射電望遠鏡上進行了一系列行星際閃爍試觀測。2021年,國家天文臺利用建在貴州的“中國天眼”首次開展行星際閃爍觀測,并取得了初步成果。

            比起預研觀測的那些設備,這次建成的行星際閃爍監測望遠鏡專用于該領域研究,所以目標性更強,從一主兩輔的三站布局可見一斑。主站基于東西機械掃描與南北電掃描的混合設計,采用相控陣饋源數字多波束接收技術,可以實現寬視場和大天區的連續覆蓋,天線口徑、噪聲抑制和探測靈敏度均處于國際領先水平。

            前文已經提到,行星際閃爍監測望遠鏡是我國重大科技基礎設施子午工程二期的重大設備之一。子午工程又是什么呢?它旨在建立一個綜合的地基(建設在地面上,與太空中的“空基”相對應)空間環境監測系統,用于研究太陽活動引起的空間天氣擾動傳播和演化過程、不同圈層之間的耦合機制,以及中國空間環境與全球空間環境的關系。

            子午工程一期在中國境內(包括南極中山站)的東經120°和北緯30°兩條鏈上布置了15個地面監測臺站,使用光學、無線電、地磁設備進行空間環境監測。子午工程二期自2019年開始建設,計劃增設16個臺站,以“井”字形共建31個臺站,觀測范圍覆蓋中國領土和兩極地區的空間環境??茖W設備除了行星際閃爍監測望遠鏡之外,還有圓環陣太陽射電望遠鏡、射電日像儀和MST雷達等。

            總之,行星際閃爍監測望遠鏡實現了芯片級到系統級研制的全面國產化,它的順利建成,標志著子午工程二期項目已具備迎接工藝驗收的條件。未來,伴隨著望遠鏡高效開展行星際空間天氣日常監測,為我國和國際空間天氣預報提供高質量的觀測數據,子午工程打造的綜合地基空間環境監測系統必將大有可為。

            責任編輯:王梓辰校對:張弛最后修改:
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