圖為圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡。吳俊偉?攝

飛機(jī)從稻城亞丁機(jī)場起飛，舷窗外地面隱現(xiàn)一個小圓點(diǎn)。這個被群山環(huán)繞的小圓點(diǎn)，事實(shí)上是個大家伙，當(dāng)?shù)厝朔Q之為“千眼天珠”。

它的名字叫作圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡（以下簡稱“圓環(huán)陣”），位于海拔3820米的四川省甘孜州稻城縣，是目前全球規(guī)模最大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，也是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網(wǎng)”（子午工程二期）的標(biāo)志性設(shè)備之一。

“圓環(huán)陣不僅能監(jiān)測太陽的各種爆發(fā)活動，還能監(jiān)測太陽風(fēng)暴進(jìn)入行星際的過程，對理解太陽爆發(fā)機(jī)制和日地傳播規(guī)律，預(yù)測太陽活動對地球的影響具有重要作用。”圓環(huán)陣項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員閻敬業(yè)告訴科技日報記者。

國慶節(jié)前，圓環(huán)陣順利通過工藝測試，宣告正式建成。測試表明，圓環(huán)陣實(shí)現(xiàn)了最大視場達(dá)10個太陽半徑的連續(xù)穩(wěn)定太陽射電成像與頻譜觀測能力，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

313臺天線組成“射電相機(jī)”

作為離地球最近的恒星，太陽為我們帶來光和熱。但它也是地球空間天氣事件的源頭，太陽打個“噴嚏”，地球可能會“感冒”。

“別小看這個‘噴嚏’，強(qiáng)烈的太陽爆發(fā)釋放出的能量，相當(dāng)于100億顆百萬噸級核彈。”閻敬業(yè)說，一旦能量沖向地球，會對空間和地面的高技術(shù)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，大面積損毀電網(wǎng)，威脅高鐵、衛(wèi)星等運(yùn)行安全，影響導(dǎo)航精度、雷達(dá)性能，造成短波通信中斷等。

“千眼天珠”的價值就在于此。它如同一部“射電相機(jī)”，對著太陽拍照，對空間天氣進(jìn)行預(yù)報和預(yù)警，為科學(xué)研究提供第一手資料。

眼前這個巨大的圓環(huán)陣，由313臺直徑6米的白色反射面天線組成，天線均勻分布在直徑1公里的圓環(huán)上，圓環(huán)中心有一座約百米高的中心定標(biāo)塔。

每天太陽升起前，313臺天線同時對準(zhǔn)中心定標(biāo)塔進(jìn)行對焦校準(zhǔn)。太陽升起后，它們就像向日葵一樣對準(zhǔn)太陽，隨太陽轉(zhuǎn)動。太陽落山后，圓環(huán)陣也不“下班”，開始其他觀測任務(wù)，如探測空間碎片、脈沖星和靜止軌道衛(wèi)星等。

由于太陽的射電特征是快速變化的，普通的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡逐點(diǎn)掃描已不適用，需要一個射電頻段的“鏡頭”對太陽拍照。

那么，“千眼天珠”為何要做成圓環(huán)狀？

“我們看到的圓環(huán)陣，它的一圈天線以及后面的信號處理系統(tǒng)加在一起，等效于一個射電頻段的鏡頭，這樣我們就有了一部‘射電相機(jī)’?！遍惥礃I(yè)說，更大鏡頭才能拍下更高質(zhì)量的照片，圓環(huán)陣的接收面積等效于一臺106米的單口徑天線，有利于更好地分析太陽活動。

“對焦”考驗(yàn)的不只是關(guān)鍵技術(shù)

57秒，100米。隨著電梯的快速上升，還沒來得及深吸一口氣，記者已登上海拔3920米的中心定標(biāo)塔。

塔上風(fēng)有點(diǎn)大，腳下站臺微晃，同行者下意識地抓住了欄桿。

“我們創(chuàng)新性地提出建造中心定標(biāo)塔，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)的一致性控制，保證了射電鏡頭足夠光滑，能夠很好地成像?！遍惥礃I(yè)指著被金色陽光籠罩的圓環(huán)陣說，每天早晨，定標(biāo)塔都會向313臺天線發(fā)出信號，對它們進(jìn)行一致性控制。

如同光學(xué)相機(jī)，圓環(huán)陣使用前也要先校準(zhǔn)。但要讓313朵“向日葵”一致對準(zhǔn)太陽并不容易。建造過程中，科研團(tuán)隊(duì)攻克了一系列關(guān)鍵核心技術(shù)，原創(chuàng)性提出圓環(huán)陣列構(gòu)型和中心定標(biāo)總體方案，突破了單通道多環(huán)絕對相位定標(biāo)等關(guān)鍵技術(shù)。

科研團(tuán)隊(duì)不僅在和創(chuàng)新賽跑，也在與現(xiàn)實(shí)環(huán)境較勁。

“把科學(xué)方案‘變現(xiàn)’，牽扯很多技術(shù)問題和施工問題，各種問題交織在一起就會變得很難。”圓環(huán)陣副主任設(shè)計(jì)師、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心副研究員武林說，圓環(huán)陣最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)是根據(jù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境條件進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。原本設(shè)計(jì)中心定標(biāo)塔的位置是在圓心，但實(shí)際建設(shè)中還是偏離了幾厘米。這是因?yàn)?，圓環(huán)陣所處的地形并不平坦，最高處和最低處落差近30米。

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心稻城亞丁臺站執(zhí)行站長吳俊偉表示，稻城當(dāng)?shù)氐母吆?、缺氧、風(fēng)霜雨雪等自然環(huán)境，也給設(shè)備設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和測試造成了很大困擾。比如，記者當(dāng)天碰到的大風(fēng)天氣導(dǎo)致中心定標(biāo)塔晃動；連接天線和中心定標(biāo)塔的626根電纜線無法從工程層面實(shí)現(xiàn)科研設(shè)計(jì)的同等長度……這些都需要科研團(tuán)隊(duì)根據(jù)實(shí)際情況，通過系統(tǒng)定標(biāo)的方式對偏差進(jìn)行校正。

為保證質(zhì)量和工期，圓環(huán)陣采取“三步走”研制方案，即2單元技術(shù)摸底、16單元成像實(shí)驗(yàn)、313單元系統(tǒng)建設(shè)。

“圓環(huán)陣建成16個單元時，觀測效果就已經(jīng)超過國外同類設(shè)備?！蔽淞终f。他還記得，從進(jìn)場到完成16單元調(diào)試，自己在稻城待了36天，“那時還沒有制氧機(jī)，高原缺氧會讓人的腦子‘變糊’，經(jīng)常是說了一分鐘之后就忘了要說啥”。

多個“國之重器”聯(lián)手巡天

本著“邊建設(shè)、邊調(diào)試、邊運(yùn)行”的原則，自2022年3月起，圓環(huán)陣16單元成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已開始獲取太陽成像數(shù)據(jù)，迄今積累了大量太陽活動圖像和頻譜數(shù)據(jù)。

一年后，還處于系統(tǒng)調(diào)試階段的圓環(huán)陣，開展了我國首次基于射電圖像序列的脈沖星探測實(shí)驗(yàn)，從連續(xù)射電圖像中成功識別出脈沖星閃爍。

2023年5月，圓環(huán)陣與歐洲低頻陣列開展了聯(lián)合觀測實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了交叉驗(yàn)證；7月，圓環(huán)陣已具備連續(xù)穩(wěn)定高質(zhì)量監(jiān)測太陽活動的能力，脈沖星成像等射電天文觀測能力也得到初步驗(yàn)證，從而正式開啟科學(xué)試觀測。

下一階段，圓環(huán)陣將在白天觀測太陽活動，為太陽物理和空間天氣研究提供長時間序列高質(zhì)量數(shù)據(jù)，并與子午工程的其他監(jiān)測設(shè)備開展聯(lián)合觀測。

“考慮到監(jiān)測太陽每天需要8小時左右，為充分發(fā)揮國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的綜合效能，圓環(huán)陣還將與‘中國天眼’（500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡）、‘中國復(fù)眼’雷達(dá)陣列、三亞非相干散射雷達(dá)等國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施開展聯(lián)合觀測，有望在低頻射電巡天、脈沖星、快速射電暴和行星防御監(jiān)測預(yù)警等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用?！遍惥礃I(yè)說。

當(dāng)記者問及圓環(huán)陣與“中國天眼”的區(qū)別時，閻敬業(yè)直言，雙方各有優(yōu)勢，聯(lián)手能發(fā)揮更大作用。

“‘中國天眼’有500米口徑的接收面積，是世界上靈敏度最高的射電望遠(yuǎn)鏡，非常擅長脈沖星和快速射電暴觀測，但不具備全天掃描能力?！遍惥礃I(yè)介紹，“千眼天珠”的優(yōu)勢在于，其具備高靈敏度的同時，通過313個小天線實(shí)現(xiàn)如同射電相機(jī)般的功效，對于像太陽之類的射電源可以連續(xù)拍攝視頻。同時，它確定快速射電暴坐標(biāo)位置的能力更優(yōu)。

“我們將持續(xù)優(yōu)化和升級圓環(huán)陣，希望能做到百公里陣列規(guī)模?！遍惥礃I(yè)信心滿滿地說，“隨著國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施綜合效能的釋放，圓環(huán)陣一定能產(chǎn)出更多的高質(zhì)量科研成果，為占據(jù)射電天文和太陽物理領(lǐng)域國際前沿，助力我國實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)作出更大貢獻(xiàn)！”