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草原“天眼”张目对日 为太阳做CT

日期:2019-11-07 15:20:42

在中国北方内蒙古自治区锡林郭勒盟正象白旗,有一个10平方公里的抛物面天线阵列,这就是草原“天眼”——明加图射电日像仪(缩写为muser)。

图1 muser中央区域天线阵(照片:颜一华)

穆萨是做什么用的?

穆萨(Muser)位于明嘎图观察基地,距离正香白旗政府驻地明嘎图镇中心30公里。它位于东经115° 15 '和北纬42° 12 '处,海拔1365米。建设始于2009年,于2013年底完成。我们之所以选择在这里建造如此大的射电日像仪阵列,不仅是因为当地良好的射电环境能够满足光谱日像仪的观测和研究条件,也是因为明嘎图镇是清代杰出的蒙古天文学家明嘎图的故乡。

图2穆萨三维模型图(地图:国家天文台)

Muser由100个抛物面天线组成,由三个阿基米德螺线隔开,包括40个直径为4.5m的天线和60个直径为2m的天线。最远的两根天线相距3.2公里。这是世界上第一次在厘米-分米波段实现高时间、高空间和高频率分辨率的同时检测。这是首次形成对太阳能初始释放区的瞬时“三维”观测。类似于太阳的快速ct,它将填补射电波段日冕物质抛射(cme)成像观测的科学空白。

Cme、耀斑活动和伴随的太阳高能粒子事件是现代太阳物理研究的核心科学问题。强烈的太阳活动引起的灾难性空间天气事件是空间环境监测的主要对象。图3示出了不同波段观测的大致对应的太阳大气高度范围。无线电波段观测可以无缝地提供整个日地范围内的太阳扰动信息,对太阳物理和空间天气研究具有重要意义。

图3大致对应于在不同波段观察到的太阳大气高度。x射线、紫外线、可见光和红外线都是能量带、窄频带或谱线观测,这对应于较小范围的太阳大气高度,而无线电波段的范围应该从色球层和日冕到宽行星际空间。(底图:美国宇航局网站)

用如此大的阵列望远镜观察太阳与用普通光学望远镜观察完全不同。图4是在不同波段观察到的太阳图像。左边一幅是muser在1.7ghz频率附近观察到的太阳图像,另外三幅是太阳动力学观测台(sdo)分别观察到的可见光波段的太阳图像、紫外波长为171的太阳图像和hmi全天磁图。根据瑞利准则,望远镜成像的空间分辨率为1.22× λ/d,λ为波长,d为望远镜孔径。无线电波段的波长是光学波段的10 ~ 10倍,同一口径的空间分辨率明显低于光学波段,因此在无线电波段看到的太阳图像更具漫射性。

图4在无线电波段、可见光、紫外线和光球磁场中测量的太阳图像的比较

四季不同风景的博物馆

穆萨观察基地有蒙古草原的气候环境,四季各有特色。春天总是来得又晚又短。冰雪融化后,露出了一层薄薄的枯萎的草地。春天很冷,草地上结满了嫩芽。即使是晚春,也必须仔细观察才能感觉到春天来了(如图5所示)。

月份:4月中旬-6月初

平均温度:5-20度

观察时间:8-9小时

图5观察基地的春天(照片:严一华)

夏天来得既晚又短。夏天,这里的空气清新,温度凉爽,天空蔚蓝,云彩洁白,绿草如茵,草原舒展而宁静(图6)。从远处看,山坡上的羊像白云一样四处漂浮,像珍珠一样散落。夏天是基地里最繁忙、最活跃的季节。每年夏天,数以万计的天文爱好者和游客都会在晴朗无月的夜晚造访并观看星星,或观看雨后彩虹(图7),或观看晚霞(图8),或欣赏星空中寂静而美丽的银色拱门(图9)。每年8月13日左右,灿烂的英仙座流星雨(图10)都会出现在舞台上,吸引成千上万的天文学家。

月份:6月中旬-8月中旬

平均温度:20~25度

观察时间:9-10小时

图6观察基地的夏天(照片:严一华)

图7雨后双彩虹(照片:谭程明)

图8阵列看夏(照片:谭程明)

图9星空下的银拱门(照片合成:程序)

图10英仙座流星雨(照片合成:程序)

秋天来得稍微早一点,所以无忧无虑。这是一个黄金世界(图11)。微风吹过,草原卷起层层波浪,散发出芬芳的芳香。观察基地初秋的夜晚仍然是观察星星的好时机,不会冷到冻僵你的手和脚。

月份:八月底-十月初

温度:5-20度

观察时间:8-9小时

图11观察基地的秋天(照片:严一华)

冬天总是来得很早,而且拒绝离开。“雪花漫天飞舞”的景象实际上并不常见,因为当地干旱,雪花形成冰晶,像闪耀的盐一样洒在草原上(图12),整个冬天都很难融化。对观测基地影响最大的是“白发风”,沙尘般的雪粒漫天吹向观测大楼的入口,厚厚的积雪堆积得比人还高,堵住了出口(图13)。但是有时,奇异的太阳光晕会给孤独寒冷的基地带来壮丽的景象(图14)。寒冷的冬天无法抗拒天文学家对太空探索的热情追求。

月份:第二年的十月中旬至四月中旬

平均温度:-20 ~5度

观察时间:7-8小时

图12观察基地的冬天(照片:严一华)

图13楼前积雪观察(照片:严一华)

图14冬季昼光晕(照片:严一华)

从选址到车站建设,从广阔的地域到数百台机器的排列,从原型实验到常规观测,在过去的16年里,我们经历了多少次极端天气事件,如飞沙和严寒。科学研究人员坚持不懈,今天数百根天线仍然排列在寒风中,以监测来自太阳的无线电波突发。

如今,muser已经成功观测并积累了800多天、300多tb的数据,观测了70多个太阳射电爆发,积累了独特的国际太阳射电多层快速“ct”诊断数据,用于太阳物理和空间环境监测,为探索太阳爆发的前兆信号和跟踪爆发的起源翻开了新的篇章!

作者:严一华,中国科学院国家天文台太阳物理研究部主任、明加图观测基地首席研究员,主要从事空间天文学和太阳物理研究,主持博物馆的发展;。中国科学院国家天文台副研究员谭程明负责博物馆观测和光谱数据处理。


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