“千眼天珠”向日开

“千眼天珠”向日开

飞机从稻城亚丁机场起飞，舷窗外地面隐现一个小圆点。这个被群山环绕的小圆点，事实上是个大家伙，当地人称之为“千眼天珠”。

它的名字叫作圆环阵太阳射电成像望远镜，位于海拔3820米的四川省甘孜州稻城县，是目前全球规模最大的综合孔径射电望远镜，也是国家重大科技基础设施“空间环境地基综合监测网”(子午工程二期)的标志性设备之一。

“圆环阵不仅能监测太阳的各种爆发活动，还能监测太阳风暴进入行星际的过程，对理解太阳爆发机制和日地传播规律，预测太阳活动对地球的影响具有重要作用。”圆环阵项目负责人、中国科学院国家空间科学中心研究员阎敬业告诉科技日报记者。

国庆节前，圆环阵顺利通过工艺测试，宣告正式建成。测试表明，圆环阵实现了最大视场达10个太阳半径的连续稳定太阳射电成像与频谱观测能力，各项技术指标达到或优于设计指标要求。

313台天线组成“射电相机”

作为离地球最近的恒星，太阳为我们带来光和热。但它也是地球空间天气事件的源头，太阳打个“喷嚏”，地球可能会“感冒”。

“别小看这个‘喷嚏’，强烈的太阳爆发释放出的能量，相当于100亿颗百万吨级核弹。”阎敬业说，一旦能量冲向地球，会对空间和地面的高技术系统造成严重影响，大面积损毁电网，威胁高铁、卫星等运行安全，影响导航精度、雷达性能，造成短波通信中断等。

“千眼天珠”的价值就在于此。它如同一部“射电相机”，对着太阳拍照，对空间天气进行预报和预警，为科学研究提供第一手资料。

眼前这个巨大的圆环阵，由313台直径6米的白色反射面天线组成，天线均匀分布在直径1公里的圆环上，圆环中心有一座约百米高的中心定标塔。

每天太阳升起前，313台天线同时对准中心定标塔进行对焦校准。太阳升起后，它们就像向日葵一样对准太阳，随太阳转动。太阳落山后，圆环阵也不“下班”，开始其他观测任务，如探测空间碎片、脉冲星和静止轨道卫星等。

由于太阳的射电特征是快速变化的，普通的单口径射电望远镜逐点扫描已不适用，需要一个射电频段的“镜头”对太阳拍照。

那么，“千眼天珠”为何要做成圆环状？

“我们看到的圆环阵，它的一圈天线以及后面的信号处理系统加在一起，等效于一个射电频段的镜头，这样我们就有了一部‘射电相机’。”阎敬业说，更大镜头才能拍下更高质量的照片，圆环阵的接收面积等效于一台106米的单口径天线，有利于更好地分析太阳活动。

“对焦”考验的不只是关键技术

57秒，100米。随着电梯的快速上升，还没来得及深吸一口气，记者已登上海拔3920米的中心定标塔。

塔上风有点大，脚下站台微晃，同行者下意识地抓住了栏杆。

“我们创新性地提出建造中心定标塔，从而实现精细的一致性控制，保证了射电镜头足够光滑，能够很好地成像。”阎敬业指着被金色阳光笼罩的圆环阵说，每天早晨，定标塔都会向313台天线发出信号，对它们进行一致性控制。

如同光学相机，圆环阵使用前也要先校准。但要让313朵“向日葵”一致对准太阳并不容易。建造过程中，科研团队攻克了一系列关键核心技术，原创性提出圆环阵列构型和中心定标总体方案，突破了单通道多环绝对相位定标等关键技术。

科研团队不仅在和创新赛跑，也在与现实环境较劲。

“把科学方案‘变现’，牵扯很多技术问题和施工问题，各种问题交织在一起就会变得很难。”圆环阵副主任设计师、中国科学院国家空间科学中心副研究员武林说，圆环阵最具挑战性的技术是根据现实环境条件进行系统校准。原本设计中心定标塔的位置是在圆心，但实际建设中还是偏离了几厘米。这是因为，圆环阵所处的地形并不平坦，最高处和最低处落差近30米。

中国科学院国家空间科学中心稻城亚丁台站执行站长吴俊伟表示，稻城当地的高寒、缺氧、风霜雨雪等自然环境，也给设备设计、实验和测试造成了很大困扰。比如，记者当天碰到的大风天气导致中心定标塔晃动；连接天线和中心定标塔的626根电缆线无法从工程层面实现科研设计的同等长度……这些都需要科研团队根据实际情况，通过系统定标的方式对偏差进行校正。

为保证质量和工期，圆环阵采取“三步走”研制方案，即2单元技术摸底、16单元成像实验、313单元系统建设。

“圆环阵建成16个单元时，观测效果就已经超过国外同类设备。”武林说。他还记得，从进场到完成16单元调试，自己在稻城待了36天，“那时还没有制氧机，高原缺氧会让人的脑子‘变糊’，经常是说了一分钟之后就忘了要说啥”。

多个“国之重器”联手巡天

本着“边建设、边调试、边运行”的原则，自2022年3月起，圆环阵16单元成像实验系统已开始获取太阳成像数据，迄今积累了大量太阳活动图像和频谱数据。

一年后，还处于系统调试阶段的圆环阵，开展了我国首次基于射电图像序列的脉冲星探测实验，从连续射电图像中成功识别出脉冲星闪烁。

2023年5月，圆环阵与欧洲低频阵列开展了联合观测实验，实现了交叉验证；7月，圆环阵已具备连续稳定高质量监测太阳活动的能力，脉冲星成像等射电天文观测能力也得到初步验证，从而正式开启科学试观测。

下一阶段，圆环阵将在白天观测太阳活动，为太阳物理和空间天气研究提供长时间序列高质量数据，并与子午工程的其他监测设备开展联合观测。

“考虑到监测太阳每天需要8小时左右，为充分发挥国家重大科技基础设施的综合效能，圆环阵还将与‘中国天眼’、‘中国复眼’雷达阵列、三亚非相干散射雷达等国家重大科技基础设施开展联合观测，有望在低频射电巡天、脉冲星、快速射电暴和行星防御监测预警等领域发挥重要作用。”阎敬业说。

当记者问及圆环阵与“中国天眼”的区别时，阎敬业直言，双方各有优势，联手能发挥更大作用。

“‘中国天眼’有500米口径的接收面积，是世界上灵敏度最高的射电望远镜，非常擅长脉冲星和快速射电暴观测，但不具备全天扫描能力。”阎敬业介绍，“千眼天珠”的优势在于，其具备高灵敏度的同时，通过313个小天线实现如同射电相机般的功效，对于像太阳之类的射电源可以连续拍摄视频。同时，它确定快速射电暴坐标位置的能力更优。

“我们将持续优化和升级圆环阵，希望能做到百公里阵列规模。”阎敬业信心满满地说，“随着国家重大科技基础设施综合效能的释放，圆环阵一定能产出更多的高质量科研成果，为占据射电天文和太阳物理领域国际前沿，助力我国实现高水平科技自立自强作出更大贡献！”