【走近大國重器】

　　◎記者 劉 垠

　　飛機從稻城亞丁機場起飛，舷窗外地面隱現一個小圓點。這個被群山環(huán)繞的小圓點，事實上是個大家伙，當地人稱之為“千眼天珠”。

　　它的名字叫作圓環(huán)陣太陽射電成像望遠鏡（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鏡，也是國家重大科技基礎設施“空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網”（子午工程二期）的標志性設備之一。

　　“圓環(huán)陣不僅能監(jiān)測太陽的各種爆發(fā)活動，還能監(jiān)測太陽風暴進入行星際的過程，對理解太陽爆發(fā)機制和日地傳播規(guī)律，預測太陽活動對地球的影響具有重要作用。”圓環(huán)陣項目負責人、中國科學院國家空間科學中心研究員閻敬業(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)陣實現了最大視場達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，各項技術指標達到或優(yōu)于設計指標要求。

　　313臺天線組成“射電相機”

　　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’，強烈的太陽爆發(fā)釋放出的能量，相當于100億顆百萬噸級核彈?！遍惥礃I(yè)說，一旦能量沖向地球，會對空間和地面的高技術系統造成嚴重影響，大面積損毀電網，威脅高鐵、衛(wèi)星等運行安全，影響導航精度、雷達性能，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”，對著太陽拍照，對空間天氣進行預報和預警，為科學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塔。

　　每天太陽升起前，313臺天線同時對準中心定標塔進行對焦校準。太陽升起后，它們就像向日葵一樣對準太陽，隨太陽轉動。太陽落山后，圓環(huán)陣也不“下班”，開始其他觀測任務，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鏡逐點掃描已不適用，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’。”閻敬業(yè)說，更大鏡頭才能拍下更高質量的照片，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”考驗的不只是關鍵技術

　　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米的中心定標塔。

　　塔上風有點大，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塔，從而實現精細的一致性控制，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，定標塔都會向313臺天線發(fā)出信號，對它們進行一致性控制。

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

　　科研團隊不僅在和創(chuàng)新賽跑，也在與現實環(huán)境較勁。

　　“把科學方案‘變現’，牽扯很多技術問題和施工問題，各種問題交織在一起就會變得很難?！眻A環(huán)陣副主任設計師、中國科學院國家空間科學中心副研究員武林說，圓環(huán)陣最具挑戰(zhàn)性的技術是根據現實環(huán)境條件進行系統校準。原本設計中心定標塔的位置是在圓心，但實際建設中還是偏離了幾厘米。這是因為，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。

　　中國科學院國家空間科學中心稻城亞丁臺站執(zhí)行站長吳俊偉表示，稻城當地的高寒、缺氧、風霜雨雪等自然環(huán)境，也給設備設計、實驗和測試造成了很大困擾。比如，記者當天碰到的大風天氣導致中心定標塔晃動；連接天線和中心定標塔的626根電纜線無法從工程層面實現科研設計的同等長度……這些都需要科研團隊根據實際情況，通過系統定標的方式對偏差進行校正。

　　為保證質量和工期，圓環(huán)陣采取“三步走”研制方案，即2單元技術摸底、16單元成像實驗、313單元系統建設。

　　“圓環(huán)陣建成16個單元時，觀測效果就已經超過國外同類設備。”武林說。他還記得，從進場到完成16單元調試，自己在稻城待了36天，“那時還沒有制氧機，高原缺氧會讓人的腦子‘變糊’，經常是說了一分鐘之后就忘了要說啥”。

　　多個“國之重器”聯手巡天

　　本著“邊建設、邊調試、邊運行”的原則，自2022年3月起，圓環(huán)陣16單元成像實驗系統已開始獲取太陽成像數據，迄今積累了大量太陽活動圖像和頻譜數據。

　　一年后，還處于系統調試階段的圓環(huán)陣，開展了我國首次基于射電圖像序列的脈沖星探測實驗，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合觀測實驗，實現了交叉驗證；7月，圓環(huán)陣已具備連續(xù)穩(wěn)定高質量監(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證，從而正式開啟科學試觀測。

　　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量數據，并與子午工程的其他監(jiān)測設備開展聯合觀測。

　　“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設施的綜合效能，圓環(huán)陣還將與‘中國天眼’（500米口徑球面射電望遠鏡）、‘中國復眼’雷達陣列、三亞非相干散射雷達等國家重大科技基礎設施開展聯合觀測，有望在低頻射電巡天、脈沖星、快速射電暴和行星防御監(jiān)測預警等領域發(fā)揮重要作用?！遍惥礃I(yè)說。

　　當記者問及圓環(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。”閻敬業(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個小天線實現如同射電相機般的功效，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設施綜合效能的釋放，圓環(huán)陣一定能產出更多的高質量科研成果，為占據射電天文和太陽物理領域國際前沿，助力我國實現高水平科技自立自強作出更大貢獻！”