千眼天珠

袁懋

2023年9月27日，我國又一個大國重器——稻城太陽射電望遠鏡正式建成，開始履行國家賦予它的光榮使命。

“千眼天珠”——稻城太陽射電望遠鏡鳥瞰圖

高原上的“千眼天珠”

稻城太陽射電望遠鏡（Daocheng Solar Radio Telescope，簡稱DSRT）是國家重大科技基礎設施“空間環境地基綜合監測網”——子午工程二期的主要支撐設備之一，由中國科學院國家空間科學中心運行管理。

這座射電望遠鏡有“千眼天珠”的雅號，這個名字是科學設備和民族文化的完美結合。

稻城太陽射電望遠鏡由313座口徑為6米的小型望遠鏡組成。這些小型單元分布在直徑1000米的圓環上，組成了一個觀測蒼穹的大陣，浪漫的科學家將它們稱為“千眼”。

稻城太陽射電望遠鏡位于四川省甘孜州稻城縣海拔約3800米的金珠鎮，那里是我國藏族聚居區之一。天珠是高原藏區的一種寶石，又稱天眼珠。在藏族文化里，天珠被認為是珍貴的“天降石”，寓意著吉祥美好、健康財運。加之高原上的天線陣俯瞰起來像是一顆顆寶石，因此也有了“天珠”的美麗名稱。

由數百個小“鍋”組成的望遠鏡

“千眼天珠”——稻城太陽射電望遠鏡本質上是一座天文望遠鏡，觀測的電磁波是射電波段。這是一種波長比可見光更長的“光”，我們常見的手機通信、無線網絡通信技術（WIFI）工作的頻段就是射電波段。

大多數射電天文望遠鏡是單口徑的，也就是只有一個“鍋”，例如“中國天眼”FAST（全稱為500米口徑球面射電望遠鏡）。但稻城太陽射電望遠鏡不一樣，它是由數百個小“鍋”組成的一個觀測陣。這種陣列望遠鏡，天文學上叫作綜合孔徑望遠鏡。下圖展示了大陣上的部分組成單元——口徑6米的小望遠鏡，它們每一個都可以獨立接收宇宙信號。

?不同季節下“千眼天珠”——稻城太陽射電望遠鏡側視圖。圖中每一個單元的拋物面直徑都是6米，并配套有信號接收系統

除了數百個小望遠鏡單元，大陣的中央還有一個高高的塔，被稱為信號定標塔。它的作用是什么呢？其實，它有點像交響樂隊演奏前，用雙簧管給整個樂隊確定基準音。由于各個小望遠鏡都有自己的信號接收傳輸系統，因此會出現每個信號的接收時間和信號強度不統一的情況。雖然這些誤差極其微小，但是為了保障科學目標的準確性，在觀測時由中間的定標塔向所有單元發射一個標準信號，然后根據這個統一的標準信號，來校準所有單元之間的誤差，這保障了系統達到最完美狀態。

給太陽快速“拍個照”

為什么要建造一個由多個小“鍋”組成的大陣，而不去建造一個超大單口徑望遠鏡呢？這是出于對科學目標和建造成本的綜合考量。

“千眼天珠”——稻城太陽射電望遠鏡的主要科學目標是監測太陽爆發活動，預警以及追蹤太陽爆發對地球航天活動和通信等帶來的影響。對太陽進行快速的成像能動態捕捉太陽的變化，通俗而言，就是給太陽快速“拍照”。稻城太陽射電望遠鏡最快可以在毫秒（1毫秒=0.001秒）內抓拍到太陽在射電波段內的細微變化。

實現這種全局“拍照”功能的射電望遠鏡，需要做到兩點：其一就是觀測視場足夠大，能涵蓋觀測物體的全部輪廓；其二，盡可能提高視場內可分辨的像素點。

?放大鏡成像示意圖。半徑越大的放大鏡，焦距越大，越能放大物體的局部，但是看到的視場就越小

視場，簡單理解就是望遠鏡一次觀測所能看到的區域大小。而視場大小和望遠鏡接收信號的“鍋”的口徑緊密相關，口徑越大，視場越小。我們以生活中的常見物品來解釋，半徑越大的放大鏡，焦距越大，越能放大物體的局部，但是看到的視場就越小。你也可以想象，我們用手機拍照，擴大焦距能放大物體的局部，但是看到的范圍卻小了。此外，小口徑的望遠鏡建造技術相對成熟，成本較低、風險較小。當然，口徑越小也就意味著接收到的輻射能量越弱。所以綜合科學目標和成本，稻城太陽射電望遠鏡選擇了相對較小的6米口徑，使其能有較大的視場。

保證了視場之后，我們需要分辨視場內盡可能多的像素點。天文學上，用角分辨率（成像系統或系統的一個部件的分辨能力）來指代觀測精細程度。角分辨率與望遠鏡可以接收到信號的范圍尺度成反比，這與上述放大鏡原理類似，尺寸越大，看到的結構越精細。

?兩個點光源發出的光，形成明暗相間的干涉條紋

?望遠鏡最遠間距——基線越大（圖中Θ 表示條紋間距，D表示基線長度），條紋越細，所能還原的點光源也就越精細

對于單口徑望遠鏡而言，不論角分辨率是多少，它能看到的都只是這個方向上的一個像素點。而對于陣列而言，信號接收范圍則是陣列分布范圍的最遠距離，這個距離在天文學上被稱為基線長度。稻城太陽射電望遠鏡的基線長度為1千米。

在成像概念里，陣列用到的物理原理是光波干涉。如下圖所示，宇宙中，兩個點發出的光波在望遠鏡平面處，會形成明暗相間的干涉條紋。科學家通過對干涉條紋進行處理，就能還原出空間中哪個地方有發出光波的源。望遠鏡的最大間距越大，條紋越精細，科學家還原出來的輻射光波的點也就越精細，即得到的圖像分辨率也就越高。

“千眼天珠”的未來

除了完成日地空間監測任務之外，“千眼天珠”——稻城太陽射電望遠鏡在不久的將來，還要實現許多宏偉的目標。

到了晚上，稻城太陽射電望遠鏡就無法看到太陽了，在這十幾個小時中，這座大陣會歇息下來等待黎明嗎？當然不是，它不僅是白天太陽的“凝視者”，同時也是夜間宇宙深空的“巡視員”。稻城太陽射電望遠鏡的一大優勢就是觀測視場很大，一次觀測就能看清一大片天區，這也就意味著這座大陣可以高效地開展巡天觀測。相信在不久的將來，我們就能收到“千眼天珠”巡視宇宙的各種新發現，例如射電脈沖星、快速射電暴、射電星系等。

此外，稻城太陽射電望遠鏡每一個小單元都可以把接收到的信號疊加，所以當天線陣的基線足夠長，小單元足夠多、足夠密集時，疊加起來的信號強度將非常大。而天線陣的升級（例如加長基線、增加單元密度）相對較容易實現，因此，未來“千眼天珠”還會迎來升級，變成名副其實的“千眼”大陣。

凝視紅日，巡查深空，讓我們一起靜待“千眼天珠”大陣的捷報吧！

（責任編輯 / 高琳? ? 美術編輯 / 韋英章）