监测行星际闪烁有何实用价值

发布时间: 2024-06-19 08:31:14 来源：北京日报

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“十三五”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）的重大设备之一——行星际闪烁监测望远镜（IPS望远镜）日前正式建成，至此，子午工程二期项目已具备迎接工艺验收的条件。

什么是行星际闪烁？简而言之，就是行星际物质造成的射电波闪烁。它和我们平时熟知的“星星眨眼”既相似又不同。那么，我国首台、国际上最先进的专门用于行星际闪烁监测的望远镜究竟有多重要？它对世界空间天气研究将带来哪些助力呢？

行星际闪烁不是“宇宙闪烁”

人们抬头望向夜空，会看到星星的光芒闪烁不定。实际上，不是星星本身在闪，而是星光穿过地球大气层的时候，被湍急流动且密度不匀的大气干扰了。相信大家在日常生活中都留意过更小尺度的大气扰动，比如，晴天站在太阳底下，会看到自己影子的头顶上方热浪翻滚，煞是热闹。此时，如果在那里有一只蚂蚁“科学家”，它还会观测到阳光明暗闪烁，这种闪烁和人们所看到的星光闪烁本质上是一样的。

行星际闪烁也是遥远星光被湍急流体扰动之后的结果，只不过这里的流体不是地球大气，换成了行星际空间里的太阳风，星光也不是普通的可见光，而是在射电波段。

太阳风是从太阳上层大气喷射而出的超高速带电粒子流。在太阳日冕层的高温下，氢、氦等原子被电离成带正电的质子、氦原子核与带负电的自由电子。它们运动速度极快，不断挣脱太阳的引力束缚，飞向周围的空间，形成太阳风。由于太阳在不停地自转，所以太阳风也会旋转着向外推进，就像草坪上的旋转洒水喷头一样。

太阳风的流速不是恒定的，一般在每秒200-800公里，其中的物质密度也不均匀。从地球观测遥远星体时，星体发出的射电波会被太阳风散射、折射，造成信号闪烁，该现象就被称为行星际闪烁。再换个思路来考虑这个问题，如果遥远星体是稳定已知的，那么通过观测行星际闪烁，就可以获知太阳风的情况。也就是说，原本是干扰源的太阳风成了科学家要研究的对象。

这里需要澄清一个概念，有的人说行星际闪烁有“三体”即视感，这可不是一回事。此前电视剧《三体》热播时，许多观众被“整个宇宙将为你闪烁”的情节惊艳到，但那个“闪烁”和“行星际闪烁”无关。《三体》里的“闪烁”是指覆盖整个天空的宇宙微波背景（宇宙诞生时“大爆炸”的余晖）的闪烁，而目前所知，这种描述仅存在于科幻故事中。

行星际闪烁理论是由英国天文学家安东尼·休伊什提出的。上世纪50年代，他在金牛座观测到一个明亮射电天体的不规则闪烁，并猜测是由太阳风所引起。1964年他和助手们通过使用射电干涉仪，观测到了更多射电源的闪烁现象，这些观测数据支持了他之前的推断。为了研究行星际闪烁，休伊什于1967年建了一座占地16000平方米的射电望远镜阵列，取名为“行星际闪烁阵列”，不过令人意外的是，这座阵列最早也是最知名的成就，却是首次发现脉冲星。

有利于透彻了解空间天气

子午工程二期副总工程师、中国科学院国家空间科学中心研究员颜毅华此前介绍，通过监测行星际闪烁，可以重建太阳风的三维结构，了解它从太阳到地球的扩散过程，有助于揭示太阳活动与地球空间响应的因果关联。

研究太阳风不单具有科学意义，随着人类科技发展的步伐越迈越远，地球和太空的界限开始模糊，以太阳活动为代表的空间天气的重要性愈发凸显。

最近一两年，随着太阳活动周期的高峰到来，极光频频在低纬度地区现身。虽然极光是“美人”，但其背后是“野兽”，是猛烈的太阳风冲击地球磁场的结果。太阳风携带大量高能带电粒子，在太阳活动高峰期，这些高能带电粒子会轰击地球大气，破坏电离层，干扰地面短波通信、卫星通信、导航系统，甚至会使输电设备产生故障。高能带电粒子携带的能量还能加热地球高空大气，使之膨胀抬升，导致运行轨道较低的卫星失速陨落。2022年2月，美国SpaceX公司的49颗星链卫星刚刚上天，就被膨胀的大气拽下来38颗。

虽然人类生活在地球磁场和大气圈的底层，被地磁场和大气保护得很好，但到太空出差的航天员们就不能对太阳风掉以轻心了。尤其是未来要对月球或更远的深空进行载人探测的话，更需要对空间天气有透彻了解。

所以，除了具有科研价值之外，观测空间天气还是一种防灾减灾的措施，对国计民生有重大意义。比如，在太阳风暴来袭之前，可以指示卫星提升轨道、航天员避免出舱活动、对地面输电线路进行优化调整、国际航班绕飞通信干扰较强的极地，等等。

那么，为什么要通过观测行星际闪烁来观测太阳风呢？还有没有其他手段？目前，观测日冕层和太阳风主要可归为实地观测与间接观测两个流派。实地观测通常是把观测设备发射到太空中，观测日冕或者采集太阳风粒子；间接观测则通过了解行星际闪烁来反推太阳风的结构。

实地观测的一个典型案例是欧洲航天局与美国航空航天局共同运行的太阳和日球层探测器（简称SOHO）。它于1996年开始服役，长期运行在太阳和地球之间的拉格朗日L1点，距离地球150万公里（日地距离的1%），与地球同步围绕太阳公转，永不被地球遮挡。 SOHO上的LASCO日冕仪可对离太阳2000万公里（日地距离的14%）以内的日冕进行观测，COSTEP-ERNE分析仪则捕捉并分析太阳风粒子的物质构成。

由此可知，实地观测非常依赖信号强烈的实体，所以这种观测方法侧重于观察太阳风的源头和“品尝”它到达地球时的“味道”，但对于中间运行的这一大段信息则未能涉及。而通过行星际闪烁来间接观测，其对象是“不空的虚空”本身，能够填补实地观测方法留下的空白。

另外从成本上来考虑，由于对行星际闪烁的观测是在电磁波的射电频段（几百兆赫，波长米级）进行，这个频段能够轻松绕过雨雪尘霰等障碍物，所以在地面上就可以开展且不受天气影响，成本可控、维护方便。

实地观测法和间接观测法是取长补短、相辅相成的关系。我国除了建设行星际闪烁监测望远镜之外，也在积极研发用于实地观测的日冕仪。2023年10月，光谱成像日冕仪在丽江玉龙站通过了工艺测试并成功获得日冕观测图像，为未来运行在太空中的日冕仪研制工作奠定了基础。

为何监测望远镜要建3个站点

行星际闪烁是在电磁波的射电波段观测的，所观测的“星光”通常来自遥远、明亮而稳定的类星体。人们平时看到的光，以及看不到的红外线、紫外线、X射线、微波、手机信号等都是电磁波，区别只在于波长/频率不同。可见光的波段是380-800纳米，而观测行星际闪烁的射电波段波长则在米级。

虽然行星际闪烁监测望远镜叫作“望远镜”，但外观看起来更像一口天线“大锅”，和大家熟悉的光学望远镜的模样完全不同。不过，它的工作原理和光学望远镜是一回事：通过反射面把电磁波汇聚到一个焦点上，在那里接收聚焦后的“成像”。望远镜成像的分辨率由口径和观测波长决定，在同样的分辨率下，口径和波长成正比。射电波段的波长比可见光长得多，所以射电望远镜一个个都是“大锅”的模样。

行星际闪烁观测最常用的频率是327兆赫，对应波长91.7厘米，这是氘原子的辐射波长，在射电天文学中十分重要。这次我国建成的行星际闪烁监测望远镜还有654兆赫与1420兆赫两个频段，完全可以满足高灵敏度的观测与计算需求。原本射电波不受昼夜或天气影响，可以全天候观测，不过，由于观测主体是太阳风，所以望远镜集中在白天运行。单次观测不足以从射电源的模糊闪烁上判断太阳风的结构，而随着时间推移，太阳不断自转，太阳风向外运动，就能像CT成像切片一样，构建太阳风的三维立体模型。

我国的行星际闪烁监测望远镜并非单台设备，而是包括了一主两辅3个站点。其中，主站位于内蒙古的明安图，由三排南北长140米、东西宽40米的抛物柱面天线组成，两个辅站则分别设在伊和高勒与乌日根塔拉，各自拥有一座直径16米的抛物面天线。3个站点基本组成一个等边三角形，边长200公里左右。

为什么要建3个站点呢？这就好比水面上起了波纹，在池底的几个观测点会陆续看到荡漾的光影，时间先后与波纹的运行方向和速度有关。同理，从多个位置观测同一个遥远星体的射电信号波动，会提供“这个站点观测到了闪烁……过了一段时间……另一个站点观测到了相同模式的闪烁”这样的信息，建立这种时间相关性之后，就可以反过来推导出太阳风运行速度信息。

此外，通过观测闪烁幅度，还能计算出太阳风物质的密度。通过长时间对闪烁幅度进行测量，科学界已经绘制出闪烁水平和太阳距角（射电源与太阳的视觉距离）的一套标准关系，也就是“标称曲线”。把实际观测的数据和标称曲线对比，即可得到太阳风物质的密度。

助力打造地基空间监测系统

自行星际闪烁现象被发现以来，世界上许多国家都开展了这方面的观测研究。比如，休伊什在英国建造的那座望远镜阵列是行星际闪烁观测的鼻祖，里程碑意义和发现脉冲星的传奇故事自不用说。日本名古屋大学在丰川、富士、木曾、菅平建设的多站观测设备，在观测记录的连续可靠方面颇有盛名。

中国在行星际闪烁观测方面起步较晚，始于1999年。当时没有专用于这类观测的设备，用的是北京天文台（现为国家天文台）密云观测站的综合孔径射电望远镜阵（28面9米口径的天线）。2008年起，密云观测站的50米射电望远镜承担了子午工程中行星际闪烁部分的预研观测任务。2008年5月，国家天文台在乌鲁木齐观测站的25米射电望远镜上进行了一系列行星际闪烁试观测。2021年，国家天文台利用建在贵州的“中国天眼”首次开展行星际闪烁观测，并取得了初步成果。

比起预研观测的那些设备，这次建成的行星际闪烁监测望远镜专用于该领域研究，所以目标性更强，从一主两辅的三站布局可见一斑。主站基于东西机械扫描与南北电扫描的混合设计，采用相控阵馈源数字多波束接收技术，可以实现宽视场和大天区的连续覆盖，天线口径、噪声抑制和探测灵敏度均处于国际领先水平。

前文已经提到，行星际闪烁监测望远镜是我国重大科技基础设施子午工程二期的重大设备之一。子午工程又是什么呢？它旨在建立一个综合的地基（建设在地面上，与太空中的“空基”相对应）空间环境监测系统，用于研究太阳活动引起的空间天气扰动传播和演化过程、不同圈层之间的耦合机制，以及中国空间环境与全球空间环境的关系。

子午工程一期在中国境内（包括南极中山站）的东经120°和北纬30°两条链上布置了15个地面监测台站，使用光学、无线电、地磁设备进行空间环境监测。子午工程二期自2019年开始建设，计划增设16个台站，以“井”字形共建31个台站，观测范围覆盖中国领土和两极地区的空间环境。科学设备除了行星际闪烁监测望远镜之外，还有圆环阵太阳射电望远镜、射电日像仪和MST雷达等。

总之，行星际闪烁监测望远镜实现了芯片级到系统级研制的全面国产化，它的顺利建成，标志着子午工程二期项目已具备迎接工艺验收的条件。未来，伴随着望远镜高效开展行星际空间天气日常监测，为我国和国际空间天气预报提供高质量的观测数据，子午工程打造的综合地基空间环境监测系统必将大有可为。