中國“草原天眼”助世界“看清”太陽

太陽作為離我們最近的恆星，一直是天文研究的重要物件。自20世紀90年代以來，美國、歐盟、俄羅斯等先後啟動了各自的太陽及空間天氣監測與研究計劃。在內蒙古自治區錫林郭勒盟正鑲白旗草原深處，也有一雙中國的“眼睛”在“看”太陽，這就是明安圖射電頻譜日像儀(英文簡稱MUSER)。

MUSER是國際太陽射電物理研究領域的領先裝置，為耀斑和日冕物質拋射等太陽活動研究提供了新的觀測手段，被稱為“草原天眼”。“草原天眼”張目對日、明察秋毫，將極大促進太陽物理和空間天氣科學的發展，助世界“看”清太陽。

張目對日、明察秋毫——中國科學院國家天文臺明安圖觀測基地的射電頻譜日像儀天線（連振 攝）

100面天線給太陽“做CT”

明安圖鎮的草原深處，在一圈馬蹄狀環形山丘包圍之下的碧綠草地上，有序排列著100面白色的拋物面天線。從空中俯瞰，一個具有3條旋臂的螺旋狀天線陣躍然“草”上。這個佔地10平方公里的天線陣列就是“草原天眼”——明安圖射電頻譜日像儀。

MUSER於2008年開工建設，2013年開始進行一系列太陽射電觀測。走進明安圖觀測基地的大院，一塊刻有“永隨陽光，造福人類”紅色字樣的古老片麻岩十分醒目。國際天文學聯合會太陽與日球分會顧問、中國科學院太陽活動重點實驗室主任、明安圖觀測基地首席科學家顏毅華說，這八個字是基地建設之初，諾貝爾物理學獎獲得者李政道先生題寫的，形象地揭示了太陽射電觀測研究的意義。

“太陽活動會影響空間環境，造成空間災害性天氣，要了解這些空間災害性天氣，就要對太陽活動進行很好地觀測。”顏毅華說。20世紀90年代以來，美國率先啟動了國家空間天氣研究計劃，歐盟、俄羅斯、日本、印度、加拿大等也先後啟動了各自的太陽及空間天氣監測與研究計劃。

太陽劇烈活動研究是國際太陽物理的重要方向，也是我國《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》在學科發展和科學前沿中部署的主要研究領域之一。MUSER作為“新一代釐米-分米波射電日像儀”，屬於國家重大科研裝備研製專案，它的研製成功填補了在太陽爆發能量初始釋放區高分辨射電成像觀測的科學空白。顏毅華說，太陽爆發活動對地球會產生很大影響，但太陽爆發在很寬的頻帶發生，科學家不僅要知道其發生的時間，更要知道具體位置，而“草原天眼”正是為了實現上述功能而專門研製的。

顏毅華形象地比喻說，“草原天眼”在釐米-分米波段上首次實現了類似“CT成像”的功能，即在所有引數上同時對日面進行多層次觀測，對空間環境監測、太陽活動預報均有重要作用。

中國科學院國家天文臺研究員譚寶林說，研究太陽活動的起源和發生發展規律，預測預報其發生和演化，不僅是一項重大的天文學課題，也對社會生活、國家安全具有重要意義。

譚寶林舉例說，太陽耀斑是太陽系中最劇烈的爆發現象，一次典型的X級耀斑能夠在幾十分鐘內，釋放出相當於100億顆百萬噸TNT當量的氫彈爆炸能量總和。這些能量主要透過電磁波輻射、高能粒子發射和等離子體團拋射的方式向外傳播。當它們向著地球方向傳播時，將對日地空間環境產生劇烈的擾動，影響航空、航天、衛星通訊、導航、網路、輸電網、輸油管網等高技術系統的正常執行。

2013年以來，“草原天眼”已進行了一系列太陽射電觀測，提升了中國對空間天氣的研究和預報能力。目前，我國正在逐步建立和完善自主執行的太陽和空間天氣研究監測網路，加強從源頭上監測太陽活動的能力，並在一些領域達到了國際領先水平。

“草原天眼”的卓越效能一直備受國際關注。國際同行一致認為，該裝置是當前最先進的新一代太陽專用射電干涉裝置。美國加利福尼亞大學伯克利分校空間科學實驗室研究員休·赫德森認為，中國射電日像儀將大大拓展太陽射電探測能力。

俄羅斯科學院教授切爾諾夫表示，中國高解析度的頻譜觀測為微波段太陽射電精細結構研究翻開了新的一頁。

美國射電天文學家弗舒爾教授在其2015年出版的專著《看不見的宇宙：射電天文學的故事》中專門介紹了明安圖射電頻譜日像儀的特點，指出“世界上其他地方的太陽射電天線要麼是設計用來研究爆發的頻率漂移，要麼是設計用來研究爆發位置，而中國的射電頻譜日像儀則兩者都做”。

2016年歐洲太陽射電研討會主頁顯示，空基和地基射電觀測的互相配合，以及“太陽軌道器”觀測衛星、“帕克”太陽探測器，和新的射電裝備阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波天線陣(ALMA)、低頻陣列射電望遠鏡(LOFAR)、“平方公里陣列”射電望遠鏡專案(SKA)和MUSER等的研製和觀測，將為學術界提供激動人心的發現新科學的機會。

美國《科學》週刊評價MUSER為“一雙地球的新耳朵，來聆聽我們最近的恆星”。

天線陣列——中國科學院國家天文臺明安圖觀測基地的射電頻譜日像儀天線（連振 攝）

將破解一系列太陽奧秘

在明安圖觀測基地內，100面拋物面天線“仰望天空”，隨著太陽東昇西落而轉動，源源不斷接收太陽射電輻射。這些射電訊號經過分析處理，會告訴我們一系列太陽的奧秘。

2014年12月17日，“草原天眼”記錄了一次M級別太陽耀斑爆發活動，科研人員得以在釐米-分米波段上對太陽耀斑進行全面研究。

由於記錄的資料量龐大，科研人員歷時近5年時間，對此次耀斑爆發活動中記錄的龐大資料進行精細定標、精準分析後發現，耀斑爆發前，太陽活動區域邊沿的紫外熱輻射存在的脈動現象，與耀斑期間爆發源區的脈動現象間存在顯著的物理聯絡，這表明太陽活動是有可能進行預測預報的。2019年，這項在太陽耀斑爆發前兆研究中取得的最新成果，在國際一流學術期刊美國《天體物理學雜誌》上發表。

“通常認為，耀斑爆發過程中的能量釋放，與耀斑源區以外其他地方的熱物理過程沒有聯絡。”譚寶林說。但研究發現，在耀斑爆發過程中，爆發源區的非熱能量釋放過程，與遠離耀斑源區以外活動區邊緣的熱過程之間，具有密切的物理聯絡。這表明，耀斑的爆發與耀斑前的熱過程之間是緊密相關的，這一結果突破了人們以往的認識。

“這對認識太陽爆發活動的先兆、理解前期特徵，有很重要的幫助。”顏毅華說，“我們可以期望MUSER在未來的太陽物理研究中取得更多成果。”

為了更準確地“張目對日、明察秋毫”，明安圖觀測基地近年來繼續新建觀測裝置、努力提高觀測水平。

在國家重大科技基礎設施空間環境地基綜合監測網專案——子午工程二期的支援下，基地將新建米波-十米波射電日像儀、行星際閃爍望遠鏡和超寬頻太陽射電動態頻譜儀。這些裝置計劃佔地約215畝，預計總投資1.3億元，初步預計2023年建成，2025年投入使用。

明安圖米波-十米波射電日像儀將填補國際上對太陽射電爆發及行星際激波，從低日冕向上傳播進入行星際空間這一過程的成像觀測空白。行星際閃爍望遠鏡將可以更好地探測太陽活動對行星際太陽風的三維空間結構的擾動特徵和規律。超寬頻射電頻譜儀則能追蹤從太陽爆發源區到行星際空間整個傳播和演變過程。

譚寶林說，新裝置建成後，明安圖觀測基地將實現從太陽大氣底層到近地空間、全天候、高時空解析度的監測，極大增強我國對災害性空間天氣事件的探測和預警能力。“這就相當於我們擁有了一雙更加強大的‘眼睛’去觀測和研究距離我們最近的恆星。”顏毅華說。

太陽活動呈現出準週期變化，大約11年為一個週期。從2019年開始，太陽活動進入第25個太陽週期。有專家預測，太陽在新的週期內將進入活動強度上升階段，預計在大約5年內達到一個新的磁活動高峰。

在第25太陽活動周，我國將開展探月工程、火星探測、空間站建設等一系列航天活動，為了減少太陽活動的干擾，需要“草原天眼”更清楚地“看”太陽。明安圖觀測基地高階工程師範瑾說，太陽活動對衛星發射、導航等都有影響，比如趕上太陽活動強年，衛星發射時就要攜帶更多的燃料，用於空間姿態調整，MUSER的作用是做好空間環境監測，更好地為航天活動保駕護航。

拋物面天線隨著太陽東昇西落而轉動——中國科學院國家天文臺明安圖觀測基地的射電頻譜日像儀天線（連振 攝）

推進太陽觀測國際合作

明安圖觀測基地，與美國、英國、法國、俄羅斯、日本等開展太陽射電研究的主要國家的科研機構有著頻繁的交流與合作，開展了多種形式的聯合研究與觀測。

2013年10月28日至11月2日，歐盟國際合作太陽射電天文學研討會及講習班在北京和內蒙古正鑲白旗舉行，來自專案合作方英國、俄羅斯、捷克、波蘭和日本的28名外籍專家和國內近50餘名太陽物理學者和研究生參加研討會及講習班。

該研討會是歐盟第七框架計劃下的“瑪麗·居里行動計劃”國際研究人員交流合作專案組織的第一個學術研討會，是我國天文學領域首次獲得的歐盟框架計劃合作專案，其主要目標是透過研究人員交往和學術交流，對現有資料和裝置進行深入挖掘，在國際上幾個關鍵的太陽射電研究機構之間建立緊密的合作關係。參與方包括英國沃裡克大學、格拉斯哥大學、波蘭盧布林居里夫人大學、捷克科學院天文研究所、中國科學院國家天文臺、俄羅斯科學院普爾科沃天文臺和西伯利亞分院伊爾庫茨剋日地物理研究所。

2014年8月，第12屆中俄空間天氣研討會在內蒙古正鑲白旗召開。來自中國、俄羅斯、希臘、印度、日本等國的近百位專家學者出席本次研討會。與會專家就太陽磁場探測及太陽爆發現象研究、太陽射電天文學及日冕非熱動力學過程、太陽風及對近地空間的各種擾動、新一代空間天氣探測裝置和研究方法等關鍵科學問題進行廣泛交流。與會專家在參觀考察了明安圖觀測基地的釐米-分米波射電日像儀後，就有關資料處理及如何發揮該裝置在未來空間天氣研究領域的作用等問題進行了廣泛討論。

北京時間2018年8月12日，“帕克”太陽探測器從美國發射升空，將以橢圓軌道繞日飛行，透過7次經過金星附近時的引力變軌逐漸靠近太陽，其最小近日點距太陽表面約610萬公里，比水星與太陽的距離還要近很多。“帕克”太陽探測器的計劃任務期為7年。在此期間，隨著新裝置投入使用，中國“草原天眼”將更加強大，成為地球上觀測能力最強的專用太陽射電頻譜成像裝置，這意味著兩者可以進行更多太陽觀測的科研互動。

夜晚拍攝的中國科學院國家天文臺明安圖觀測基地射電頻譜日像儀天線（連振 攝）

未來隨著明安圖米波-十米波射電日像儀、行星際閃爍望遠鏡等國家重大科技基礎設施建設專案建成，中國“草原天眼”的射電觀測範圍將從距太陽表面70萬公里擴大到700萬公里，與“帕克”太陽探測器的觀測範圍實現交叉重疊。

顏毅華說，“帕克”太陽探測器的科學任務之一是研究太陽風是如何加速離開日冕進入太空的，而中國即將建設的行星際閃爍望遠鏡就是用來探測行星際太陽風三維空間結構的，且建成後將成為國際上靈敏度最高、效能最優的行星際閃爍專用望遠鏡。“無論從觀測範圍，還是從具體的科學任務，中國‘草原天眼’都將與‘帕克’太陽探測器之間形成科研互動，雙方的觀測資料可以實現同時分析、雙向印證、互相補充。”

事實上，MUSER每年都吸引著大批來自美國、歐盟、俄羅斯的專家前來交流學習，並與多個國家的裝置開展了一系列聯合太陽射電觀測研究活動。

顏毅華說，MUSER參與國際上的太陽觀測合作，主要是提供地面觀測資料，與其他國家的觀測資料和衛星觀測資料進行比對。“草原天眼”從開始觀測至今，在太陽活動周的谷年前後，共獲得了85個太陽活動事件的觀測，收集到300T的資料，這些資料經過處理後將陸續公開，與全球共享。

來源：參考訊息

實習編輯：白鑫蕊

校對：劉曼容

稽核：馬若晗