追日利器——太阳射电望远镜_风闻

太阳射电辐射的特殊性在于它是一个“面源”，一个“强源”，一个“变源”！要求观测设备具有高灵敏度、高时间、高空间和高频率分辨能力，同时兼顾稳定性和抗干扰等性能！太阳射电观测由于地球大气窗口（图1）仅局限于～1厘米-15米波段和亚毫米波的一小段。更长的波段需要依赖空间探测。而且人类无线电干扰使得射电天文学家不得不退缩到广漠荒凉之地寻求“相对宁静”的观测频段。

图1. 地球大气窗口（图源：修改自维基百科）

最早的太阳射电观测始于20世纪30年代。美国人格罗·雷伯在1937年成功制造首架抛物面射电望远镜（图2），探测到了太阳及其它天体发出的射电波。二战期间英国防空部队的炮瞄雷达突然受到强烈的电波干扰。后来科学家J.S Hey发现这是起因于太阳的天然现象。太阳射电天文学开始发展起来。

图2. 左图是格罗.雷柏设计的首架“碟形”射电望远镜，右图为原尺寸复制（图源：百度+维基百科）

根据天线单元组成模式和观测频率，现代太阳射电望远镜可大致分类如表1。

表1. 现代太阳射电望远镜分类

流量计主要用于太阳射电辐射总流量的常规监测，目前国内外仍有许多同类设备在运行，例如我国明安图观测基地的三频点太阳射电望远镜（图3左）和美国空军天文台的射电太阳望远镜监测网等。

频谱仪主要用于观测太阳大气射电辐射的宽带动态频谱特征，国际上主要有我国怀柔观测基地的太阳射电宽带动态频谱仪（图3右）、法国ORFEES和捷克Ondrejov等。

图3. 左图是我国明安图观测基地三频点太阳射电望远镜，右图是怀柔观测基地的太阳射电宽带动态频谱仪（图源：谭程明摄）

由电波原理，天体辐射的同一束电磁波的电场具有相干特性，电场的空间相干函数与天体强度分布函数为傅立叶变换关系。英国剑桥大学的赖尔和休伊什利用这个基本原理在1950年代发明了综合孔径技术，并获得了1974年的诺贝尔物理学奖。综合孔径射电望远镜是一种具有高空间分辨率、高灵敏度的能够成像的射电望远镜阵列。太阳专用的综合孔径射电望远镜也称为射电日像仪，可以较精确地观测到太阳射电辐射的空间分布信息。下列图中分别列出了国际上目前正在运行的可用于太阳观测的几个著名的综合孔径射电望远镜。

图4. 美国甚大阵VLA，共27面天线，Y型排列，单天线直径25米，最长基线36公里。用于观测太阳、恒星和银河系等天体（图源：百度）

图5. 日本野边山天文台射电日像仪NoRH，84面天线，T型排列，单天线直径80cm，最长基线490米，太阳专用望远镜（图源：http://solar.nro.nao.ac.jp/norh/html/gallery/norh.png）

图6. 欧洲低频阵列LOFAR，是目前最大的低频射电望远镜阵列，可用于太阳观测（图源：左图谷歌地图，右图搜狐网）

图7. 阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜ALMA，共64面口径12米的射电天线，位于智利，欧洲、北美等多国共有，可用于太阳观测（图源：百度）

图8. 俄罗斯科学院位于高加索的RATAN-600望远镜，直径576米，由895个11.4*2米的抛物面带型天线组成一个环形阵，主要用于太阳观测，具有非常灵敏的偏振测量能力（图源：百度）

明安图射电频谱日像仪MUSER，由100面分列于三条阿基米德螺旋线的抛物面天线组成，最长基线3.2公里。这是我国研制的、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观测的新一代太阳频谱日像仪，首次形成太阳能量释放和初始传播区的瞬间“三维”成像观测，类似于给太阳做快速CT。图9左图为三维模型图，右图为中心区天线阵。

图9. 明安图射电频谱日像仪MUSER（图源：左图国家天文台制作，右图颜毅华摄影）

由于地球电离层的吸收作用，地基射电望远镜是无法有效观测到30MHz以下的低频和频率在50GHz以上的高频太阳射电爆发的，空间太阳射电望远镜可以突破大气窗口的局限，对太阳低层大气爆发活动的高频射电辐射和在低频段的太阳爆发在行星际空间的传播特征进行观测，例如国际上WIND卫星搭载的WAVES低频射电频谱仪（图10左）和我国在嫦娥4号中继星上搭载的长波探测器（图10右）等。

图10. 左图为WIND飞行器，装置有WAVES频谱仪（13.8MHz—0.03MHz）。右图是我国嫦娥4号中继星，上面装置有长波探测器NCLE（80kHz-80MHz）（图源：左图https://wind.nasa.gov/gallery.php，右图百度）

太阳爆发起源、日冕加热、灾害性空间天气预报等重大科学与应用研究都依赖于太阳元爆发机理、微耀斑物理、三维磁结构及动力学特征的亚角秒空间分辨率、毫央斯基灵敏度的观测，现有太阳射电望远镜均难以满足这一需求。国际上目前在建的平方公里射电阵（Square Kilometer Array，缩写为SKA)是一个巨型射电望远镜阵列，将为太阳射电天文学带来新的机遇。

未来的太阳射电望远镜将在空间分辨本领、灵敏度、快速成像和抗干扰稳定性能方面有更加惊人的突破。比如由多个大型甚至巨型望远镜组成阵列，也可以利用卫星和空间站组阵拓展基线，这将为天体物理研究及空间天气监测预警提供更强力的工具！