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草原“天眼” 张目对日 为太阳做CT

来源:光明网2019-10-09 16:40

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  在我国北方内蒙古自治区锡林郭勒盟正镶白旗,有一片10平方公里范围的抛物面天线阵列,这就是草原“天眼”——明安图射电频谱日像仪(MingantU SpEctral Radioheliograph, 缩写为MUSER)。

草原“天眼” 张目对日 为太阳做CT

  图1 MUSER中心区天线阵 (摄影:颜毅华)

  MUSER用来做什么?

  MUSER坐落在距正镶白旗政府驻地明安图镇中心30公里远的明安图观测基地内,位于东经115°15′,北纬42°12′处,海拔1365米,于2009年开始建设并于2013年底竣工。之所以选择这里建设这么大的射电日像仪阵列,除了因为当地良好的无线电环境能满足频谱日像仪的观测研究条件,还因为明安图镇是清代杰出蒙古族天文学家明安图的故乡。

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  图2 MUSER三维模型图 (制图:国家天文台)

  MUSER由分列于三条阿基米德螺旋线的100面抛物面天线组成,其中包括40面4.5米口径天线和60面2米口径天线,最远的两个天线相距3.2公里。这是国际上首次实现在厘米-分米波段上同时以高时间、高空间和高频率分辨率的探测,首次形成太阳能量初始释放区的瞬间“三维”观测,类似于给太阳做快速CT,将填补日冕物质抛射(CME)在射电波段成像观测的科学空白。

  CME、耀斑活动及伴随的太阳高能粒子事件,是现代太阳物理研究的核心科学问题。而太阳剧烈活动产生灾害性空间天气事件,则是空间环境监测的主要对象。图3示意了不同波段观测大致对应的太阳大气高度范围,射电波段观测能够无缝隙地提供太阳扰动在整个日地范围内信息,对于太阳物理和空间天气研究具有重要意义。

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  图3 不同波段观测大致对应的太阳大气高度,X射线、紫外、可见光和红外均为能段、窄频段或谱线观测,所对应的太阳大气高度范围较小,而射电波段则对应从色球、日冕到广阔的行星际空间。(底图:NASA网站)

  用这么大的阵列望远镜来看太阳,和普通光学望远镜观测到的太阳可是完全不一样的。图4是不同波段观测到的太阳像,左一是MUSER在1.7GHz频率附近观测到的太阳像,其余三图分别是美国太阳动力学天文台(Solar Dynamics Observatory,缩写为SDO)观测到的可见光波段的太阳像、紫外波长171Å的太阳像和HMI全日面磁图。由瑞利判据,望远镜成像的空间分辨率=1.22×λ/D,λ是电波波长,D是望远镜口径。射电波段波长是光学波段波长的10³~10⁹倍,相同口径其空间分辨率显著低于光学波段,因而射电波段看到的太阳像更弥散。

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  图4 射电波段、可见光、紫外和光球磁场测量的太阳像比较

  四季风景各不同的MUSER

  MUSER所处的观测基地具有蒙古草原的气候环境,四季景象各有特色。春天总是来得很晚,又那么短暂。冰雪消融后,露出一层薄薄的枯草甸,春寒料峭,小草坚挺着嫩芽。即使已临晚春,也要细看才能感受到春天已来临(如图5)。

  月份:4月中旬-6月初

  平均气温:5-20度

  观测时长:8-9小时

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  图5 观测基地的春天 (摄影:颜毅华)

  夏天来得一样晚,一样的短暂。这里的夏天空气清新,气温凉爽,蓝天白云,碧草依依,草原舒展又宁静(图6)。远远望去山坡上的羊群,好似片片白云飘绕,又好似粒粒珍珠撒落。夏天是基地最繁忙热闹的季节,每个夏季都有上万人次的天文爱好者和游客览胜观星,或看雨后彩虹(图7),或看落日晚霞(图8),或在晴朗无月的夜晚,享受寂静美艳的星夜银拱(图9)。每年的8月13日前后,亮丽的英仙座流星雨(图10)登场,吸引着数以千计的天文爱好者。

  月份:6月中旬-8月中旬

  平均气温:20~25度

  观测时长:9-10小时

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  图6 观测基地的夏天 (摄影:颜毅华)

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  图7 雨后双虹 (摄影:谭程明)

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  图8 列阵望霞 (摄影:谭程明)

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  图9 星夜银拱 (摄影合成:徐成)

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  图10 英仙座流星雨 (摄影合成:徐成)

  秋天来得略早,又那么悠然。这里是一片金黄的世界(图11),微风吹来,草原翻卷起层层波浪,散发出一阵阵扑鼻的清香。观测基地的初秋夜晚,还不至于冷得缩手冻脚,依然是观星的好时节。

  月份:8月底-10月初

  气温:5-20度

  观测时长:8-9小时

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  图11 观测基地的秋天 (摄影:颜毅华)

  冬天总是早早的来临,又迟迟不肯离去。“漫天雪花飞舞”的景象其实不常见,因为当地干旱,雪花结成冰晶,像白花花的盐铺在草原上(图12),整个冬天都很难融化。对观测基地影响最大的是“白毛风”,漫天飞沙似的雪粒刮到观测楼门口,厚厚的积雪堆到比人还高,堵住了出口(图13)。但有的时候,奇幻的日晕则为孤独寒冷的基地带来一抹壮丽的景象(图14)。凌冽的寒冬,抵挡不住天文学家探索太空的热情追寻。

  月份:10月中旬-次年4月中旬

  平均气温:-20 ~5度

  观测时长:7-8小时

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  图12 观测基地的冬天 (摄影:颜毅华)

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  图13 观测楼门前的积雪 (摄影:颜毅华)

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  图14 冬季日晕 (摄影:颜毅华)

  从选址到建站,从一片苍茫到百机列阵,从样机实验到常规观测,16年来,经历多少飞沙严寒的极端天气。正是科研人员的坚守,而今百架天线,寒风中依然列阵监测来自太阳的阵阵电波。

  如今,MUSER成功观测积累了800余天超过300Tb的数据,观测到了70余个太阳射电爆发,为太阳物理和空间环境监测积累了国际上独一无二的太阳射电多层快速“CT”诊断数据,为探索太阳爆发的前兆信号并追踪爆发的起源揭开了新篇章!

  作者:颜毅华,中国科学院国家天文台太阳物理研究部主任、明安图观测基地首席研究员,主要从事空间天文和太阳物理研究,主持研制了MUSER;谭程明,中国科学院国家天文台副研究员,负责MUSER观测和频谱数据处理。

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