“十三五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)”（子午工程二期）的重大設(shè)備之一——行星際閃爍監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡（IPS望遠(yuǎn)鏡）日前正式建成，至此，子午工程二期項(xiàng)目已具備迎接工藝驗(yàn)收的條件。

什么是行星際閃爍？簡(jiǎn)而言之，就是行星際物質(zhì)造成的射電波閃爍。它和我們平時(shí)熟知的“星星眨眼”既相似又不同。那么，我國(guó)首臺(tái)、國(guó)際上最先進(jìn)的專門用于行星際閃爍監(jiān)測(cè)的望遠(yuǎn)鏡究竟有多重要？它對(duì)世界空間天氣研究將帶來(lái)哪些助力呢？

行星際閃爍不是“宇宙閃爍”

人們抬頭望向夜空，會(huì)看到星星的光芒閃爍不定。實(shí)際上，不是星星本身在閃，而是星光穿過地球大氣層的時(shí)候，被湍急流動(dòng)且密度不勻的大氣干擾了。相信大家在日常生活中都留意過更小尺度的大氣擾動(dòng)，比如，晴天站在太陽(yáng)底下，會(huì)看到自己影子的頭頂上方熱浪翻滾，煞是熱鬧。此時(shí)，如果在那里有一只螞蟻“科學(xué)家”，它還會(huì)觀測(cè)到陽(yáng)光明暗閃爍，這種閃爍和人們所看到的星光閃爍本質(zhì)上是一樣的。

行星際閃爍也是遙遠(yuǎn)星光被湍急流體擾動(dòng)之后的結(jié)果，只不過這里的流體不是地球大氣，換成了行星際空間里的太陽(yáng)風(fēng)，星光也不是普通的可見光，而是在射電波段。

太陽(yáng)風(fēng)是從太陽(yáng)上層大氣噴射而出的超高速帶電粒子流。在太陽(yáng)日冕層的高溫下，氫、氦等原子被電離成帶正電的質(zhì)子、氦原子核與帶負(fù)電的自由電子。它們運(yùn)動(dòng)速度極快，不斷掙脫太陽(yáng)的引力束縛，飛向周圍的空間，形成太陽(yáng)風(fēng)。由于太陽(yáng)在不停地自轉(zhuǎn)，所以太陽(yáng)風(fēng)也會(huì)旋轉(zhuǎn)著向外推進(jìn)，就像草坪上的旋轉(zhuǎn)灑水噴頭一樣。

太陽(yáng)風(fēng)的流速不是恒定的，一般在每秒200-800公里，其中的物質(zhì)密度也不均勻。從地球觀測(cè)遙遠(yuǎn)星體時(shí)，星體發(fā)出的射電波會(huì)被太陽(yáng)風(fēng)散射、折射，造成信號(hào)閃爍，該現(xiàn)象就被稱為行星際閃爍。再換個(gè)思路來(lái)考慮這個(gè)問題，如果遙遠(yuǎn)星體是穩(wěn)定已知的，那么通過觀測(cè)行星際閃爍，就可以獲知太陽(yáng)風(fēng)的情況。也就是說，原本是干擾源的太陽(yáng)風(fēng)成了科學(xué)家要研究的對(duì)象。

這里需要澄清一個(gè)概念，有的人說行星際閃爍有“三體”即視感，這可不是一回事。此前電視劇《三體》熱播時(shí)，許多觀眾被“整個(gè)宇宙將為你閃爍”的情節(jié)驚艷到，但那個(gè)“閃爍”和“行星際閃爍”無(wú)關(guān)。《三體》里的“閃爍”是指覆蓋整個(gè)天空的宇宙微波背景（宇宙誕生時(shí)“大爆炸”的余暉）的閃爍，而目前所知，這種描述僅存在于科幻故事中。

行星際閃爍理論是由英國(guó)天文學(xué)家安東尼·休伊什提出的。上世紀(jì)50年代，他在金牛座觀測(cè)到一個(gè)明亮射電天體的不規(guī)則閃爍，并猜測(cè)是由太陽(yáng)風(fēng)所引起。1964年他和助手們通過使用射電干涉儀，觀測(cè)到了更多射電源的閃爍現(xiàn)象，這些觀測(cè)數(shù)據(jù)支持了他之前的推斷。為了研究行星際閃爍，休伊什于1967年建了一座占地16000平方米的射電望遠(yuǎn)鏡陣列，取名為“行星際閃爍陣列”，不過令人意外的是，這座陣列最早也是最知名的成就，卻是首次發(fā)現(xiàn)脈沖星。

有利于透徹了解空間天氣

子午工程二期副總工程師、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員顏毅華此前介紹，通過監(jiān)測(cè)行星際閃爍，可以重建太陽(yáng)風(fēng)的三維結(jié)構(gòu)，了解它從太陽(yáng)到地球的擴(kuò)散過程，有助于揭示太陽(yáng)活動(dòng)與地球空間響應(yīng)的因果關(guān)聯(lián)。

研究太陽(yáng)風(fēng)不單具有科學(xué)意義，隨著人類科技發(fā)展的步伐越邁越遠(yuǎn)，地球和太空的界限開始模糊，以太陽(yáng)活動(dòng)為代表的空間天氣的重要性愈發(fā)凸顯。

最近一兩年，隨著太陽(yáng)活動(dòng)周期的高峰到來(lái)，極光頻頻在低緯度地區(qū)現(xiàn)身。雖然極光是“美人”，但其背后是“野獸”，是猛烈的太陽(yáng)風(fēng)沖擊地球磁場(chǎng)的結(jié)果。太陽(yáng)風(fēng)攜帶大量高能帶電粒子，在太陽(yáng)活動(dòng)高峰期，這些高能帶電粒子會(huì)轟擊地球大氣，破壞電離層，干擾地面短波通信、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航系統(tǒng)，甚至?xí)馆旊娫O(shè)備產(chǎn)生故障。高能帶電粒子攜帶的能量還能加熱地球高空大氣，使之膨脹抬升，導(dǎo)致運(yùn)行軌道較低的衛(wèi)星失速隕落。2022年2月，美國(guó)SpaceX公司的49顆星鏈衛(wèi)星剛剛上天，就被膨脹的大氣拽下來(lái)38顆。

雖然人類生活在地球磁場(chǎng)和大氣圈的底層，被地磁場(chǎng)和大氣保護(hù)得很好，但到太空出差的航天員們就不能對(duì)太陽(yáng)風(fēng)掉以輕心了。尤其是未來(lái)要對(duì)月球或更遠(yuǎn)的深空進(jìn)行載人探測(cè)的話，更需要對(duì)空間天氣有透徹了解。

所以，除了具有科研價(jià)值之外，觀測(cè)空間天氣還是一種防災(zāi)減災(zāi)的措施，對(duì)國(guó)計(jì)民生有重大意義。比如，在太陽(yáng)風(fēng)暴來(lái)襲之前，可以指示衛(wèi)星提升軌道、航天員避免出艙活動(dòng)、對(duì)地面輸電線路進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整、國(guó)際航班繞飛通信干擾較強(qiáng)的極地，等等。

那么，為什么要通過觀測(cè)行星際閃爍來(lái)觀測(cè)太陽(yáng)風(fēng)呢？還有沒有其他手段？目前，觀測(cè)日冕層和太陽(yáng)風(fēng)主要可歸為實(shí)地觀測(cè)與間接觀測(cè)兩個(gè)流派。實(shí)地觀測(cè)通常是把觀測(cè)設(shè)備發(fā)射到太空中，觀測(cè)日冕或者采集太陽(yáng)風(fēng)粒子；間接觀測(cè)則通過了解行星際閃爍來(lái)反推太陽(yáng)風(fēng)的結(jié)構(gòu)。

實(shí)地觀測(cè)的一個(gè)典型案例是歐洲航天局與美國(guó)航空航天局共同運(yùn)行的太陽(yáng)和日 球 層 探 測(cè) 器（簡(jiǎn) 稱SOHO）。它 于1996年開始服役，長(zhǎng)期運(yùn)行在太陽(yáng)和地球之間的拉格朗日L1點(diǎn)，距離地球150萬(wàn)公里（日地距離的1%），與地球同步圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，永不被地球遮擋。 SOHO上的LASCO日冕儀可對(duì)離太陽(yáng)2000萬(wàn)公里（日地距離的14%）以內(nèi)的日冕進(jìn)行觀測(cè)，COSTEP-ERNE分析儀則捕捉并分析太陽(yáng)風(fēng)粒子的物質(zhì)構(gòu)成。

由此可知，實(shí)地觀測(cè)非常依賴信號(hào)強(qiáng)烈的實(shí)體，所以這種觀測(cè)方法側(cè)重于觀察太陽(yáng)風(fēng)的源頭和“品嘗”它到達(dá)地球時(shí)的“味道”，但對(duì)于中間運(yùn)行的這一大段信息則未能涉及。而通過行星際閃爍來(lái)間接觀測(cè)，其對(duì)象是“不空的虛空”本身，能夠填補(bǔ)實(shí)地觀測(cè)方法留下的空白。

另外從成本上來(lái)考慮，由于對(duì)行星際閃爍的觀測(cè)是在電磁波的射電頻段（幾百兆赫，波長(zhǎng)米級(jí)）進(jìn)行，這個(gè)頻段能夠輕松繞過雨雪塵霰等障礙物，所以在地面上就可以開展且不受天氣影響，成本可控、維護(hù)方便。

實(shí)地觀測(cè)法和間接觀測(cè)法是取長(zhǎng)補(bǔ)短、相輔相成的關(guān)系。我國(guó)除了建設(shè)行星際閃爍監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡之外，也在積極研發(fā)用于實(shí)地觀測(cè)的日冕儀。2023年10月，光譜成像日冕儀在麗江玉龍站通過了工藝測(cè)試并成功獲得日冕觀測(cè)圖像，為未來(lái)運(yùn)行在太空中的日冕儀研制工作奠定了基礎(chǔ)。

為何監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡要建3個(gè)站點(diǎn)

行星際閃爍是在電磁波的射電波段觀測(cè)的，所觀測(cè)的“星光”通常來(lái)自遙遠(yuǎn)、明亮而穩(wěn)定的類星體。人們平時(shí)看到的光，以及看不到的紅外線、紫外線、X射線、微波、手機(jī)信號(hào)等都是電磁波，區(qū)別只在于波長(zhǎng)/頻率不同?？梢姽獾牟ǘ问?80-800納米，而觀測(cè)行星際閃爍的射電波段波長(zhǎng)則在米級(jí)。

雖然行星際閃爍監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡叫作“望遠(yuǎn)鏡”，但外觀看起來(lái)更像一口天線“大鍋”，和大家熟悉的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的模樣完全不同。不過，它的工作原理和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是一回事：通過反射面把電磁波匯聚到一個(gè)焦點(diǎn)上，在那里接收聚焦后的“成像”。望遠(yuǎn)鏡成像的分辨率由口徑和觀測(cè)波長(zhǎng)決定，在同樣的分辨率下，口徑和波長(zhǎng)成正比。射電波段的波長(zhǎng)比可見光長(zhǎng)得多，所以射電望遠(yuǎn)鏡一個(gè)個(gè)都是“大鍋”的模樣。

行星際閃爍觀測(cè)最常用的頻率是327兆赫，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)91.7厘米，這是氘原子的輻射波長(zhǎng)，在射電天文學(xué)中十分重要。這次我國(guó)建成的行星際閃爍監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡還有654兆赫與1420兆赫兩個(gè)頻段，完全可以滿足高靈敏度的觀測(cè)與計(jì)算需求。原本射電波不受晝夜或天氣影響，可以全天候觀測(cè)，不過，由于觀測(cè)主體是太陽(yáng)風(fēng)，所以望遠(yuǎn)鏡集中在白天運(yùn)行。單次觀測(cè)不足以從射電源的模糊閃爍上判斷太陽(yáng)風(fēng)的結(jié)構(gòu)，而隨著時(shí)間推移，太陽(yáng)不斷自轉(zhuǎn)，太陽(yáng)風(fēng)向外運(yùn)動(dòng)，就能像CT成像切片一樣，構(gòu)建太陽(yáng)風(fēng)的三維立體模型。

我國(guó)的行星際閃爍監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡并非單臺(tái)設(shè)備，而是包括了一主兩輔3個(gè)站點(diǎn)。其中，主站位于內(nèi)蒙古的明安圖，由三排南北長(zhǎng)140米、東西寬40米的拋物柱面天線組成，兩個(gè)輔站則分別設(shè)在伊和高勒與烏日根塔拉，各自擁有一座直徑16米的拋物面天線。3個(gè)站點(diǎn)基本組成一個(gè)等邊三角形，邊長(zhǎng)200公里左右。

為什么要建3個(gè)站點(diǎn)呢？這就好比水面上起了波紋，在池底的幾個(gè)觀測(cè)點(diǎn)會(huì)陸續(xù)看到蕩漾的光影，時(shí)間先后與波紋的運(yùn)行方向和速度有關(guān)。同理，從多個(gè)位置觀測(cè)同一個(gè)遙遠(yuǎn)星體的射電信號(hào)波動(dòng)，會(huì)提供“這個(gè)站點(diǎn)觀測(cè)到了閃爍……過了一段時(shí)間……另一個(gè)站點(diǎn)觀測(cè)到了相同模式的閃爍”這樣的信息，建立這種時(shí)間相關(guān)性之后，就可以反過來(lái)推導(dǎo)出太陽(yáng)風(fēng)運(yùn)行速度信息。

此外，通過觀測(cè)閃爍幅度，還能計(jì)算出太陽(yáng)風(fēng)物質(zhì)的密度。通過長(zhǎng)時(shí)間對(duì)閃爍幅度進(jìn)行測(cè)量，科學(xué)界已經(jīng)繪制出閃爍水平和太陽(yáng)距角（射電源與太陽(yáng)的視覺距離）的一套標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系，也就是“標(biāo)稱曲線”。把實(shí)際觀測(cè)的數(shù)據(jù)和標(biāo)稱曲線對(duì)比，即可得到太陽(yáng)風(fēng)物質(zhì)的密度。

助力打造地基空間監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

自行星際閃爍現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，世界上許多國(guó)家都開展了這方面的觀測(cè)研究。比如，休伊什在英國(guó)建造的那座望遠(yuǎn)鏡陣列是行星際閃爍觀測(cè)的鼻祖，里程碑意義和發(fā)現(xiàn)脈沖星的傳奇故事自不用說。日本名古屋大學(xué)在豐川、富士、木曾、菅平建設(shè)的多站觀測(cè)設(shè)備，在觀測(cè)記錄的連續(xù)可靠方面頗有盛名。

中國(guó)在行星際閃爍觀測(cè)方面起步較晚，始于1999年。當(dāng)時(shí)沒有專用于這類觀測(cè)的設(shè)備，用的是北京天文臺(tái)（現(xiàn)為國(guó)家天文臺(tái)）密云觀測(cè)站的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡陣（28面9米口徑的天線）。2008年起，密云觀測(cè)站的50米射電望遠(yuǎn)鏡承擔(dān)了子午工程中行星際閃爍部分的預(yù)研觀測(cè)任務(wù)。2008年5月，國(guó)家天文臺(tái)在烏魯木齊觀測(cè)站的25米射電望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)行了一系列行星際閃爍試觀測(cè)。2021年，國(guó)家天文臺(tái)利用建在貴州的“中國(guó)天眼”首次開展行星際閃爍觀測(cè)，并取得了初步成果。

比起預(yù)研觀測(cè)的那些設(shè)備，這次建成的行星際閃爍監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡專用于該領(lǐng)域研究，所以目標(biāo)性更強(qiáng)，從一主兩輔的三站布局可見一斑。主站基于東西機(jī)械掃描與南北電掃描的混合設(shè)計(jì)，采用相控陣饋源數(shù)字多波束接收技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng)和大天區(qū)的連續(xù)覆蓋，天線口徑、噪聲抑制和探測(cè)靈敏度均處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

前文已經(jīng)提到，行星際閃爍監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡是我國(guó)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程二期的重大設(shè)備之一。子午工程又是什么呢？它旨在建立一個(gè)綜合的地基（建設(shè)在地面上，與太空中的“空基”相對(duì)應(yīng)）空間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于研究太陽(yáng)活動(dòng)引起的空間天氣擾動(dòng)傳播和演化過程、不同圈層之間的耦合機(jī)制，以及中國(guó)空間環(huán)境與全球空間環(huán)境的關(guān)系。

子午工程一期在中國(guó)境內(nèi)（包括南極中山站）的東經(jīng)120°和北緯30°兩條鏈上布置了15個(gè)地面監(jiān)測(cè)臺(tái)站，使用光學(xué)、無(wú)線電、地磁設(shè)備進(jìn)行空間環(huán)境監(jiān)測(cè)。子午工程二期自2019年開始建設(shè)，計(jì)劃增設(shè)16個(gè)臺(tái)站，以“井”字形共建31個(gè)臺(tái)站，觀測(cè)范圍覆蓋中國(guó)領(lǐng)土和兩極地區(qū)的空間環(huán)境?？茖W(xué)設(shè)備除了行星際閃爍監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡之外，還有圓環(huán)陣太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡、射電日像儀和MST雷達(dá)等。

總之，行星際閃爍監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了芯片級(jí)到系統(tǒng)級(jí)研制的全面國(guó)產(chǎn)化，它的順利建成，標(biāo)志著子午工程二期項(xiàng)目已具備迎接工藝驗(yàn)收的條件。未來(lái)，伴隨著望遠(yuǎn)鏡高效開展行星際空間天氣日常監(jiān)測(cè)，為我國(guó)和國(guó)際空間天氣預(yù)報(bào)提供高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，子午工程打造的綜合地基空間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必將大有可為。