2020-08-02 20:40:18 来源:参考消息网 责任编辑:唐立辛 作者:丁铭 刘懿德 魏婧宇
核心提示:“草原天眼”张目对日、明察秋毫,将极大促进太阳物理和空间天气科学的发展,助世界“看”清太阳。

参考消息网8月2日报道(文/丁铭 刘懿德 魏婧宇)太阳作为离我们最近的恒星,一直是天文研究的重要对象。自20世纪90年代以来,美国、欧盟、俄罗斯等先后启动了各自的太阳及空间天气监测与研究计划。在内蒙古自治区锡林郭勒盟正镶白旗草原深处,也有一双中国的“眼睛”在“看”太阳,这就是明安图射电频谱日像仪(英文简称MUSER)。

MUSER是国际太阳射电物理研究领域的领先设备,为耀斑和日冕物质抛射等太阳活动研究提供了新的观测手段,被称为“草原天眼”。“草原天眼”张目对日、明察秋毫,将极大促进太阳物理和空间天气科学的发展,助世界“看”清太阳。

天眼

中国科学院国家天文台明安图观测基地的射电频谱日像仪天线(连振 摄)

100面天线给太阳“做CT”

明安图镇的草原深处,在一圈马蹄状环形山丘包围之下的碧绿草地上,有序排列着100面白色的抛物面天线。从空中俯瞰,一个具有3条旋臂的螺旋状天线阵跃然“草”上。这个占地10平方公里的天线阵列就是“草原天眼”——明安图射电频谱日像仪。

MUSER于2008年开工建设,2013年开始进行一系列太阳射电观测。走进明安图观测基地的大院,一块刻有“永随阳光,造福人类”红色字样的古老片麻岩十分醒目。国际天文学联合会太阳与日球分会顾问、中国科学院太阳活动重点实验室主任、明安图观测基地首席科学家颜毅华说,这八个字是基地建设之初,诺贝尔物理学奖获得者李政道先生题写的,形象地揭示了太阳射电观测研究的意义。

“太阳活动会影响空间环境,造成空间灾害性天气,要了解这些空间灾害性天气,就要对太阳活动进行很好地观测。”颜毅华说。20世纪90年代以来,美国率先启动了国家空间天气研究计划,欧盟、俄罗斯、日本、印度、加拿大等也先后启动了各自的太阳及空间天气监测与研究计划。

太阳剧烈活动研究是国际太阳物理的重要方向,也是我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》在学科发展和科学前沿中部署的主要研究领域之一。MUSER作为“新一代厘米-分米波射电日像仪”,属于国家重大科研装备研制项目,它的研制成功填补了在太阳爆发能量初始释放区高分辨射电成像观测的科学空白。颜毅华说,太阳爆发活动对地球会产生很大影响,但太阳爆发在很宽的频带发生,科学家不仅要知道其发生的时间,更要知道具体位置,而“草原天眼”正是为了实现上述功能而专门研制的。

颜毅华形象地比喻说,“草原天眼”在厘米-分米波段上首次实现了类似“CT成像”的功能,即在所有参数上同时对日面进行多层次观测,对空间环境监测、太阳活动预报均有重要作用。

中国科学院国家天文台研究员谭宝林说,研究太阳活动的起源和发生发展规律,预测预报其发生和演化,不仅是一项重大的天文学课题,也对社会生活、国家安全具有重要意义。

谭宝林举例说,太阳耀斑是太阳系中最剧烈的爆发现象,一次典型的X级耀斑能够在几十分钟内,释放出相当于100亿颗百万吨TNT当量的氢弹爆炸能量总和。这些能量主要通过电磁波辐射、高能粒子发射和等离子体团抛射的方式向外传播。当它们向着地球方向传播时,将对日地空间环境产生剧烈的扰动,影响航空、航天、卫星通信、导航、网络、输电网、输油管网等高技术系统的正常运行。

2013年以来,“草原天眼”已进行了一系列太阳射电观测,提升了中国对空间天气的研究和预报能力。目前,我国正在逐步建立和完善自主运行的太阳和空间天气研究监测网络,加强从源头上监测太阳活动的能力,并在一些领域达到了国际领先水平。

将破解一系列太阳奥秘

在明安图观测基地内,100面抛物面天线“仰望天空”,随着太阳东升西落而转动,源源不断接收太阳射电辐射。这些射电信号经过分析处理,会告诉我们一系列太阳的奥秘。

2014年12月17日,“草原天眼”记录了一次M级别太阳耀斑爆发活动,科研人员得以在厘米-分米波段上对太阳耀斑进行全面研究。

由于记录的数据量庞大,科研人员历时近5年时间,对此次耀斑爆发活动中记录的庞大数据进行精细定标、精准分析后发现,耀斑爆发前,太阳活动区域边沿的紫外热辐射存在的脉动现象,与耀斑期间爆发源区的脉动现象间存在显著的物理联系,这表明太阳活动是有可能进行预测预报的。2019年,这项在太阳耀斑爆发前兆研究中取得的最新成果,在国际一流学术期刊美国《天体物理学杂志》上发表。

“通常认为,耀斑爆发过程中的能量释放,与耀斑源区以外其他地方的热物理过程没有联系。”谭宝林说。但研究发现,在耀斑爆发过程中,爆发源区的非热能量释放过程,与远离耀斑源区以外活动区边缘的热过程之间,具有密切的物理联系。这表明,耀斑的爆发与耀斑前的热过程之间是紧密相关的,这一结果突破了人们以往的认识。

“这对认识太阳爆发活动的先兆、理解前期特征,有很重要的帮助。”颜毅华说,“我们可以期望MUSER在未来的太阳物理研究中取得更多成果。”

为了更准确地“张目对日、明察秋毫”,明安图观测基地近年来继续新建观测设备、努力提高观测水平。

在国家重大科技基础设施空间环境地基综合监测网项目——子午工程二期的支持下,基地将新建米波-十米波射电日像仪、行星际闪烁望远镜和超宽带太阳射电动态频谱仪。这些设备计划占地约215亩,预计总投资1.3亿元,初步预计2023年建成,2025年投入使用。

明安图米波-十米波射电日像仪将填补国际上对太阳射电爆发及行星际激波,从低日冕向上传播进入行星际空间这一过程的成像观测空白。行星际闪烁望远镜将可以更好地探测太阳活动对行星际太阳风的三维空间结构的扰动特征和规律。超宽带射电频谱仪则能追踪从太阳爆发源区到行星际空间整个传播和演变过程。

谭宝林说,新设备建成后,明安图观测基地将实现从太阳大气底层到近地空间、全天候、高时空分辨率的监测,极大增强我国对灾害性空间天气事件的探测和预警能力。“这就相当于我们拥有了一双更加强大的‘眼睛’去观测和研究距离我们最近的恒星。”颜毅华说。

太阳活动呈现出准周期变化,大约11年为一个周期。从2019年开始,太阳活动进入第25个太阳周期。有专家预测,太阳在新的周期内将进入活动强度上升阶段,预计在大约5年内达到一个新的磁活动高峰。

在第25太阳活动周,我国将开展探月工程、火星探测、空间站建设等一系列航天活动,为了减少太阳活动的干扰,需要“草原天眼”更清楚地“看”太阳。明安图观测基地高级工程师范瑾说,太阳活动对卫星发射、导航等都有影响,比如赶上太阳活动强年,卫星发射时就要携带更多的燃料,用于空间姿态调整,MUSER的作用是做好空间环境监测,更好地为航天活动保驾护航。

推进太阳观测国际合作

明安图观测基地,与美国、英国、法国、俄罗斯、日本等开展太阳射电研究的主要国家的科研机构有着频繁的交流与合作,开展了多种形式的联合研究与观测。

2013年10月28日至11月2日,欧盟国际合作太阳射电天文学研讨会及讲习班在北京和内蒙古正镶白旗举行,来自项目合作方英国、俄罗斯、捷克、波兰和日本的28名外籍专家和国内近50余名太阳物理学者和研究生参加研讨会及讲习班。

该研讨会是欧盟第七框架计划下的“玛丽·居里行动计划”国际研究人员交流合作项目组织的第一个学术研讨会,是我国天文学领域首次获得的欧盟框架计划合作项目,其主要目标是通过研究人员交往和学术交流,对现有数据和设备进行深入挖掘,在国际上几个关键的太阳射电研究机构之间建立紧密的合作关系。参与方包括英国沃里克大学、格拉斯哥大学、波兰卢布林居里夫人大学、捷克科学院天文研究所、中国科学院国家天文台、俄罗斯科学院普尔科沃天文台和西伯利亚分院伊尔库茨克日地物理研究所。

2014年8月,第12届中俄空间天气研讨会在内蒙古正镶白旗召开。来自中国、俄罗斯、希腊、印度、日本等国的近百位专家学者出席本次研讨会。与会专家就太阳磁场探测及太阳爆发现象研究、太阳射电天文学及日冕非热动力学过程、太阳风及对近地空间的各种扰动、新一代空间天气探测设备和研究方法等关键科学问题进行广泛交流。与会专家在参观考察了明安图观测基地的厘米-分米波射电日像仪后,就有关数据处理及如何发挥该设备在未来空间天气研究领域的作用等问题进行了广泛讨论。

北京时间2018年8月12日,“帕克”太阳探测器从美国发射升空,将以椭圆轨道绕日飞行,通过7次经过金星附近时的引力变轨逐渐靠近太阳,其最小近日点距太阳表面约610万公里,比水星与太阳的距离还要近很多。“帕克”太阳探测器的计划任务期为7年。在此期间,随着新设备投入使用,中国“草原天眼”将更加强大,成为地球上观测能力最强的专用太阳射电频谱成像设备,这意味着两者可以进行更多太阳观测的科研互动。

未来随着明安图米波-十米波射电日像仪、行星际闪烁望远镜等国家重大科技基础设施建设项目建成,中国“草原天眼”的射电观测范围将从距太阳表面70万公里扩大到700万公里,与“帕克”太阳探测器的观测范围实现交叉重叠。

颜毅华说,“帕克”太阳探测器的科学任务之一是研究太阳风是如何加速离开日冕进入太空的,而中国即将建设的行星际闪烁望远镜就是用来探测行星际太阳风三维空间结构的,且建成后将成为国际上灵敏度最高、性能最优的行星际闪烁专用望远镜。“无论从观测范围,还是从具体的科学任务,中国‘草原天眼’都将与‘帕克’太阳探测器之间形成科研互动,双方的观测数据可以实现同时分析、双向印证、互相补充。”

事实上,MUSER每年都吸引着大批来自美国、欧盟、俄罗斯的专家前来交流学习,并与多个国家的设备开展了一系列联合太阳射电观测研究活动。

颜毅华说,MUSER参与国际上的太阳观测合作,主要是提供地面观测数据,与其他国家的观测数据和卫星观测数据进行比对。“草原天眼”从开始观测至今,在太阳活动周的谷年前后,共获得了85个太阳活动事件的观测,收集到300T的数据,这些数据经过处理后将陆续公开,与全球共享。

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