追日利器——太陽射電望遠鏡_風聞

太陽射電輻射的特殊性在於它是一個“面源”，一個“強源”，一個“變源”！要求觀測設備具有高靈敏度、高時間、高空間和高頻率分辨能力，同時兼顧穩定性和抗干擾等性能！太陽射電觀測由於地球大氣窗口（圖1）僅侷限於～1釐米-15米波段和亞毫米波的一小段。更長的波段需要依賴空間探測。而且人類無線電干擾使得射電天文學家不得不退縮到廣漠荒涼之地尋求“相對寧靜”的觀測頻段。

圖1. 地球大氣窗口（圖源：修改自維基百科）

最早的太陽射電觀測始於20世紀30年代。美國人格羅·雷伯在1937年成功製造首架拋物面射電望遠鏡（圖2），探測到了太陽及其它天體發出的射電波。二戰期間英國防空部隊的炮瞄雷達突然受到強烈的電波干擾。後來科學家J.S Hey發現這是起因於太陽的天然現象。太陽射電天文學開始發展起來。

圖2. 左圖是格羅.雷柏設計的首架“碟形”射電望遠鏡，右圖為原尺寸複製（圖源：百度+維基百科）

根據天線單元組成模式和觀測頻率，現代太陽射電望遠鏡可大致分類如表1。

表1. 現代太陽射電望遠鏡分類

流量計主要用於太陽射電輻射總流量的常規監測，目前國內外仍有許多同類設備在運行，例如我國明安圖觀測基地的三頻點太陽射電望遠鏡（圖3左）和美國空軍天文台的射電太陽望遠鏡監測網等。

頻譜儀主要用於觀測太陽大氣射電輻射的寬帶動態頻譜特徵，國際上主要有我國懷柔觀測基地的太陽射電寬帶動態頻譜儀（圖3右）、法國ORFEES和捷克Ondrejov等。

圖3. 左圖是我國明安圖觀測基地三頻點太陽射電望遠鏡，右圖是懷柔觀測基地的太陽射電寬帶動態頻譜儀（圖源：譚程明攝）

由電波原理，天體輻射的同一束電磁波的電場具有相干特性，電場的空間相干函數與天體強度分佈函數為傅立葉變換關係。英國劍橋大學的賴爾和休伊什利用這個基本原理在1950年代發明了綜合孔徑技術，並獲得了1974年的諾貝爾物理學獎。綜合孔徑射電望遠鏡是一種具有高空間分辨率、高靈敏度的能夠成像的射電望遠鏡陣列。太陽專用的綜合孔徑射電望遠鏡也稱為射電日像儀，可以較精確地觀測到太陽射電輻射的空間分佈信息。下列圖中分別列出了國際上目前正在運行的可用於太陽觀測的幾個著名的綜合孔徑射電望遠鏡。

圖4. 美國甚大陣VLA，共27面天線，Y型排列，單天線直徑25米，最長基線36公里。用於觀測太陽、恆星和銀河系等天體（圖源：百度）

圖5. 日本野邊山天文台射電日像儀NoRH，84面天線，T型排列，單天線直徑80cm，最長基線490米，太陽專用望遠鏡（圖源：http://solar.nro.nao.ac.jp/norh/html/gallery/norh.png）

圖6. 歐洲低頻陣列LOFAR，是目前最大的低頻射電望遠鏡陣列，可用於太陽觀測（圖源：左圖谷歌地圖，右圖搜狐網）

圖7. 阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡ALMA，共64面口徑12米的射電天線，位於智利，歐洲、北美等多國共有，可用於太陽觀測（圖源：百度）

圖8. 俄羅斯科學院位於高加索的RATAN-600望遠鏡，直徑576米，由895個11.4*2米的拋物面帶型天線組成一個環形陣，主要用於太陽觀測，具有非常靈敏的偏振測量能力（圖源：百度）

明安圖射電頻譜日像儀MUSER，由100面分列於三條阿基米德螺旋線的拋物面天線組成，最長基線3.2公里。這是我國研製的、國際上首次實現在釐米-分米波段上同時以高時間、高空間和高頻率分辨率的觀測的新一代太陽頻譜日像儀，首次形成太陽能量釋放和初始傳播區的瞬間“三維”成像觀測，類似於給太陽做快速CT。圖9左圖為三維模型圖，右圖為中心區天線陣。

圖9. 明安圖射電頻譜日像儀MUSER（圖源：左圖國家天文台製作，右圖顏毅華攝影）

由於地球電離層的吸收作用，地基射電望遠鏡是無法有效觀測到30MHz以下的低頻和頻率在50GHz以上的高頻太陽射電爆發的，空間太陽射電望遠鏡可以突破大氣窗口的侷限，對太陽低層大氣爆發活動的高頻射電輻射和在低頻段的太陽爆發在行星際空間的傳播特徵進行觀測，例如國際上WIND衞星搭載的WAVES低頻射電頻譜儀（圖10左）和我國在嫦娥4號中繼星上搭載的長波探測器（圖10右）等。

圖10. 左圖為WIND飛行器，裝置有WAVES頻譜儀（13.8MHz—0.03MHz）。右圖是我國嫦娥4號中繼星，上面裝置有長波探測器NCLE（80kHz-80MHz）（圖源：左圖https://wind.nasa.gov/gallery.php，右圖百度）

太陽爆發起源、日冕加熱、災害性空間天氣預報等重大科學與應用研究都依賴於太陽元爆發機理、微耀斑物理、三維磁結構及動力學特徵的亞角秒空間分辨率、毫央斯基靈敏度的觀測，現有太陽射電望遠鏡均難以滿足這一需求。國際上目前在建的平方公里射電陣（Square Kilometer Array，縮寫為SKA)是一個巨型射電望遠鏡陣列，將為太陽射電天文學帶來新的機遇。

未來的太陽射電望遠鏡將在空間分辨本領、靈敏度、快速成像和抗干擾穩定性能方面有更加驚人的突破。比如由多個大型甚至巨型望遠鏡組成陣列，也可以利用衞星和空間站組陣拓展基線，這將為天體物理研究及空間天氣監測預警提供更強力的工具！