在我國北方內蒙古自治區錫林郭勒盟正鑲白旗,有一片10平方公里范圍的拋物面天線陣列,這就是草原“天眼”——明安圖射電頻譜日像儀(MingantU SpEctral Radioheliograph, 縮寫為MUSER)。

圖1. MUSER中心區天線陣 (攝影:顏毅華)
MUSER用來做什么?
MUSER坐落在距正鑲白旗政府駐地明安圖鎮中心30公里遠的明安圖觀測基地內,位于東經115°15′,北緯42°12′處,海拔1365米,于2009年開始建設并于2013年底竣工。之所以選擇這里建設這么大的射電日像儀陣列,除了因為當地良好的無線電環境能滿足頻譜日像儀的觀測研究條件,還因為明安圖鎮是清代杰出蒙古族天文學家明安圖的故鄉。

圖2. MUSER三維模型圖 (制圖:國家天文臺)
MUSER由分列于三條阿基米德螺旋線的100面拋物面天線組成,其中包括40面4.5米口徑天線和60面2米口徑天線,最遠的兩個天線相距3.2公里。這是國際上首次實現在厘米-分米波段上同時以高時間、高空間和高頻率分辨率的探測,首次形成太陽能量初始釋放區的瞬間“三維”觀測,類似于給太陽做快速CT,將填補日冕物質拋射(CME)在射電波段成像觀測的科學空白。
CME、耀斑活動及伴隨的太陽高能粒子事件,是現代太陽物理研究的核心科學問題。而太陽劇烈活動產生災害性空間天氣事件,則是空間環境監測的主要對象。圖3示意了不同波段觀測大致對應的太陽大氣高度范圍,射電波段觀測能夠無縫隙地提供太陽擾動在整個日地范圍內信息,對于太陽物理和空間天氣研究具有重要意義。

圖3. 不同波段觀測大致對應的太陽大氣高度,X射線、紫外、可見光和紅外均為能段、窄頻段或譜線觀測,所對應的太陽大氣高度范圍較小,而射電波段則對應從色球、日冕到廣闊的行星際空間。(底圖:NASA網站)
用這么大的陣列望遠鏡來看太陽,和普通光學望遠鏡觀測到的太陽可是完全不一樣的。圖4是不同波段觀測到的太陽像,左一是MUSER在1.7GHz頻率附近觀測到的太陽像,其余三圖分別是美國太陽動力學天文臺(Solar Dynamics Observatory,縮寫為SDO)觀測到的可見光波段的太陽像、紫外波長171?的太陽像和HMI全日面磁圖。由瑞利判據,望遠鏡成像的空間分辨率=1.22×λ/D,λ是電波波長,D是望遠鏡口徑。射電波段波長是光學波段波長的103~10?倍,相同口徑其空間分辨率顯著低于光學波段,因而射電波段看到的太陽像更彌散。

圖4. 射電波段、可見光、紫外和光球磁場測量的太陽像比較
四季風景各不同的MUSER
MUSER所處的觀測基地具有蒙古草原的氣候環境,四季景象各有特色。春天總是來得很晚,又那么短暫。冰雪消融后,露出一層薄薄的枯草甸,春寒料峭,小草堅挺著嫩芽。即使已臨晚春,也要細看才能感受到春天已來臨(如圖5)。
月份:4月中旬-6月初
平均氣溫:5-20度
觀測時長:8-9小時

圖5. 觀測基地的春天 (攝影:顏毅華)
夏天來得一樣晚,一樣的短暫。這里的夏天空氣清新,氣溫涼爽,藍天白云,碧草依依,草原舒展又寧靜(圖6)。遠遠望去山坡上的羊群,好似片片白云飄繞,又好似粒粒珍珠撒落。夏天是基地最繁忙熱鬧的季節,每個夏季都有上萬人次的天文愛好者和游客覽勝觀星,或看雨后彩虹(圖7),或看落日晚霞(圖8),或在晴朗無月的夜晚,享受寂靜美艷的星夜銀拱(圖9)。每年的8月13日前后,亮麗的英仙座流星雨(圖10)登場,吸引著數以千計的天文愛好者。
月份:6月中旬-8月中旬
平均氣溫:20~25度
觀測時長:9-10小時
秋天來得略早,又那么悠然。這里是一片金黃的世界(圖11),微風吹來,草原翻卷起層層波浪,散發出一陣陣撲鼻的清香。觀測基地的初秋夜晚,還不至于冷得縮手凍腳,依然是觀星的好時節。
月份:8月底-10月初
氣溫:5-20度
觀測時長:8-9小時
冬天總是早早的來臨,又遲遲不肯離去。“漫天雪花飛舞”的景象其實不常見,因為當地干旱,雪花結成冰晶,像白花花的鹽鋪在草原上(圖12),整個冬天都很難融化。對觀測基地影響最大的是“白毛風”,漫天飛沙似的雪粒刮到觀測樓門口,厚厚的積雪堆到比人還高,堵住了出口(圖13)。但有的時候,奇幻的日暈則為孤獨寒冷的基地帶來一抹壯麗的景象(圖14)。凌冽的寒冬,抵擋不住天文學家探索太空的熱情追尋。
月份:10月中旬-次年4月中旬
平均氣溫:-20 ~5度
觀測時長:7-8小時
從選址到建站,從一片蒼茫到百機列陣,從樣機實驗到常規觀測,16年來,經歷多少飛沙嚴寒的極端天氣。正是科研人員的堅守,而今百架天線,寒風中依然列陣監測來自太陽的陣陣電波。
如今,MUSER成功觀測積累了800余天超過300Tb的數據,觀測到了70余個太陽射電爆發,為太陽物理和空間環境監測積累了國際上獨一無二的太陽射電多層快速“CT”診斷數據,為探索太陽爆發的前兆信號并追蹤爆發的起源揭開了新篇章!