新知 | 太陽射電天文學——探測看不見的爆發過程

2021年10月14日07:50:02 科學 1856

太陽射電天文學,簡單地說就是利用射電望遠鏡觀測研究太陽的一門學科。最早的射電天文學幾乎就是從太陽射電觀測中發端的。

早在1869年,英國著名理論物理學家麥克斯韋提出,恆星可以在任何波段產生電磁輻射,包括射電波輻射。一些著名學者,包括發明家愛迪生和物理學家馬克斯·普朗克先後指出,太陽應該能夠產生射電波發射。1940年,美國科學家Grote Reber利用自製的9.45米口徑的拋物面射電望遠鏡首次觀測到在162MHz很強的太陽射電信號。1942年,正與德軍鏖戰的英軍防空部隊的米波炮瞄雷達突然接收到來自太陽的強烈信號干擾,後經分析發現該信號恰與太陽上的耀斑爆發事件密切相關,從此宣告了太陽射電天文學的誕生。

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圖1. 最早開展太陽射電觀測研究的美國科學家Grote Reber(1911-2002)(圖源:百度)

眾所周知,望遠鏡的最小空間分辨角與波長成正比,與望遠鏡的口徑成反比。由於射電波的波長是可見光的幾萬倍到數千萬倍,如果我們希望達到光學望遠鏡那樣的空間分辨率,就要求射電望遠鏡的口徑是光學望遠鏡的數萬倍到數千萬倍!對於10厘米口徑工作在500納米波長的光學望遠鏡所獲得的空間分辨率,工作在10厘米波段的射電望遠鏡的口徑則必須達到200公里!這是一個幾乎無法實施的超級工程!正因為如此,由於口徑限制,我們迄今所獲得的太陽射電圖像幾乎都是模糊的,遠沒有太陽光學圖像那麼清晰和震撼。

那麼,是不是太陽射電天文學就不重要了呢?

事實正好相反,太陽射電天文學不但非常重要,對於太陽爆發的許多現象,它幾乎就是唯一的研究手段!

我們知道,太陽會不時地發生耀斑、日冕物質拋射等劇烈爆發事件,在這些事件中除了會拋射出大量高溫等離子體雲團外,還會釋放出巨大的能量,加速並發射大量高能帶電粒子。這些高能粒子在行星際空間的高速傳播,對在軌運行的各種航天器、空間站、載人航天、衛星通訊、衛星導航以及地面的大型電網等高技術系統產生嚴重威脅,構成所謂災害性空間天氣事件。

我們的光學望遠鏡,包括工作在可見光、紫外和近紅外波段的太陽望遠鏡,對這些高能過程,尤其是高能粒子的加速和在空間的傳播過程幾乎都是看不見的。然而,在射電望遠鏡中,這些高能現象卻能非常顯著地表現為各式各樣的射電爆發,如太陽射電I型暴、II型爆、III型爆、運動IV型爆等,其中,不同類型爆發背景上還存在大量頻譜精細結構,例如斑馬紋、纖維、魚群、准周期脈動、尖峰群等結構。這些不同類型的太陽射電爆發以及不同的頻譜精細結構分別對應着不同太陽物理過程中非熱粒子的加速和傳播過程。

由圖2中的對比可知,太陽射電爆發的輻射強度比寧靜太陽和銀河系背景輻射強數百倍到百萬倍以上,具有非常靈敏的響應。因此,我們說太陽射電天文學可以探測到其他手段根本就看不見的太陽爆發過程。太陽射電觀測與其他多波段觀測相配合,是研究天體等離子體物理環境中爆發的觸發機制、先兆特徵、能量釋放機制、粒子加速機制的重要途徑。

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圖2. 太陽射電爆發與寧靜太陽和銀河系背景輻射的對比(圖源:Dulk, ARA&A, 1985)

此外,太陽射電輻射佔據了從亞毫米波到千米波的極寬頻率範圍,頻率跨度達7個數量級以上,對應的輻射源區則覆蓋了太陽光球、色球、日冕、直至行星際空間,不僅能對太陽爆發產生的高能粒子進行觀測,還能對日冕物質拋射、行星際激波等在極稀薄的行星際空間的傳播和演變進行追蹤觀測,這也是其他探測手段難為其力的。這對災害性空間天氣的監測和空間物理研究都是至關重要的。

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圖3. 太陽射電輻射覆蓋了從太陽到地球附近的廣闊空間(圖源:自製)

來源:中國科學院國家天文台

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