千眼天珠

袁懋

2023年9月27日，我国又一个大国重器——稻城太阳射电望远镜正式建成，开始履行国家赋予它的光荣使命。

“千眼天珠”——稻城太阳射电望远镜鸟瞰图

高原上的“千眼天珠”

稻城太阳射电望远镜（Daocheng Solar Radio Telescope，简称DSRT）是国家重大科技基础设施“空间环境地基综合监测网”——子午工程二期的主要支撑设备之一，由中国科学院国家空间科学中心运行管理。

这座射电望远镜有“千眼天珠”的雅号，这个名字是科学设备和民族文化的完美结合。

稻城太阳射电望远镜由313座口径为6米的小型望远镜组成。这些小型单元分布在直径1000米的圆环上，组成了一个观测苍穹的大阵，浪漫的科学家将它们称为“千眼”。

稻城太阳射电望远镜位于四川省甘孜州稻城县海拔约3800米的金珠镇，那里是我国藏族聚居区之一。天珠是高原藏区的一种宝石，又称天眼珠。在藏族文化里，天珠被认为是珍贵的“天降石”，寓意着吉祥美好、健康财运。加之高原上的天线阵俯瞰起来像是一颗颗宝石，因此也有了“天珠”的美丽名称。

由数百个小“锅”组成的望远镜

“千眼天珠”——稻城太阳射电望远镜本质上是一座天文望远镜，观测的电磁波是射电波段。这是一种波长比可见光更长的“光”，我们常见的手机通信、无线网络通信技术（WIFI）工作的频段就是射电波段。

大多数射电天文望远镜是单口径的，也就是只有一个“锅”，例如“中国天眼”FAST（全称为500米口径球面射电望远镜）。但稻城太阳射电望远镜不一样，它是由数百个小“锅”组成的一个观测阵。这种阵列望远镜，天文学上叫作综合孔径望远镜。下图展示了大阵上的部分组成单元——口径6米的小望远镜，它们每一个都可以独立接收宇宙信号。

 不同季节下“千眼天珠”——稻城太阳射电望远镜侧视图。图中每一个单元的抛物面直径都是6米，并配套有信号接收系统

除了数百个小望远镜单元，大阵的中央还有一个高高的塔，被称为信号定标塔。它的作用是什么呢？其实，它有点像交响乐队演奏前，用双簧管给整个乐队确定基准音。由于各个小望远镜都有自己的信号接收传输系统，因此会出现每个信号的接收时间和信号强度不统一的情况。虽然这些误差极其微小，但是为了保障科学目标的准确性，在观测时由中间的定标塔向所有单元发射一个标准信号，然后根据这个统一的标准信号，来校准所有单元之间的误差，这保障了系统达到最完美状态。

给太阳快速“拍个照”

为什么要建造一个由多个小“锅”组成的大阵，而不去建造一个超大单口径望远镜呢？这是出于对科学目标和建造成本的综合考量。

“千眼天珠”——稻城太阳射电望远镜的主要科学目标是监测太阳爆发活动，预警以及追踪太阳爆发对地球航天活动和通信等带来的影响。对太阳进行快速的成像能动态捕捉太阳的变化，通俗而言，就是给太阳快速“拍照”。稻城太阳射电望远镜最快可以在毫秒（1毫秒=0.001秒）内抓拍到太阳在射电波段内的细微变化。

实现这种全局“拍照”功能的射电望远镜，需要做到两点：其一就是观测视场足够大，能涵盖观测物体的全部轮廓；其二，尽可能提高视场内可分辨的像素点。

 放大镜成像示意图。半径越大的放大镜，焦距越大，越能放大物体的局部，但是看到的视场就越小

视场，简单理解就是望远镜一次观测所能看到的区域大小。而视场大小和望远镜接收信号的“锅”的口径紧密相关，口径越大，视场越小。我们以生活中的常见物品来解释，半径越大的放大镜，焦距越大，越能放大物体的局部，但是看到的视场就越小。你也可以想象，我们用手机拍照，扩大焦距能放大物体的局部，但是看到的范围却小了。此外，小口径的望远镜建造技术相对成熟，成本较低、风险较小。当然，口径越小也就意味着接收到的辐射能量越弱。所以综合科学目标和成本，稻城太阳射电望远镜选择了相对较小的6米口径，使其能有较大的视场。

保证了视场之后，我们需要分辨视场内尽可能多的像素点。天文学上，用角分辨率（成像系统或系统的一个部件的分辨能力）来指代观测精细程度。角分辨率与望远镜可以接收到信号的范围尺度成反比，这与上述放大镜原理类似，尺寸越大，看到的结构越精细。

 两个点光源发出的光，形成明暗相间的干涉条纹

 望远镜最远间距——基线越大（图中Θ 表示条纹间距，D表示基线长度），条纹越细，所能还原的点光源也就越精细

对于单口径望远镜而言，不论角分辨率是多少，它能看到的都只是這个方向上的一个像素点。而对于阵列而言，信号接收范围则是阵列分布范围的最远距离，这个距离在天文学上被称为基线长度。稻城太阳射电望远镜的基线长度为1千米。

在成像概念里，阵列用到的物理原理是光波干涉。如下图所示，宇宙中，两个点发出的光波在望远镜平面处，会形成明暗相间的干涉条纹。科学家通过对干涉条纹进行处理，就能还原出空间中哪个地方有发出光波的源。望远镜的最大间距越大，条纹越精细，科学家还原出来的辐射光波的点也就越精细，即得到的图像分辨率也就越高。

“千眼天珠”的未来

除了完成日地空间监测任务之外，“千眼天珠”——稻城太阳射电望远镜在不久的将来，还要实现许多宏伟的目标。

到了晚上，稻城太阳射电望远镜就无法看到太阳了，在这十几个小时中，这座大阵会歇息下来等待黎明吗？当然不是，它不仅是白天太阳的“凝视者”，同时也是夜间宇宙深空的“巡视员”。稻城太阳射电望远镜的一大优势就是观测视场很大，一次观测就能看清一大片天区，这也就意味着这座大阵可以高效地开展巡天观测。相信在不久的将来，我们就能收到“千眼天珠”巡视宇宙的各种新发现，例如射电脉冲星、快速射电暴、射电星系等。

此外，稻城太阳射电望远镜每一个小单元都可以把接收到的信号叠加，所以当天线阵的基线足够长，小单元足够多、足够密集时，叠加起来的信号强度将非常大。而天线阵的升级（例如加长基线、增加单元密度）相对较容易实现，因此，未来“千眼天珠”还会迎来升级，变成名副其实的“千眼”大阵。

凝视红日，巡查深空，让我们一起静待“千眼天珠”大阵的捷报吧！

（责任编辑 / 高琳    美术编辑 / 韦英章）