太阳射电监测

2019年10月22日08:44:16太阳射电监测已关闭评论 73 views

 宇宙中存在着各种波长的电磁波。地球大气层吸收了来自宇宙的大部分电磁波,只有可见光和部分无线电波可以穿透大气层。天文学把这部分无线电波称为射电波。人眼是没有自然的能力来直接发现波长较长的射电波的,正常情况下我们也不会意识到射电辐射的存在,因此我们就需要借助于一种中间的探测仪,把射电波转化为可以看见或者听到的形式,这种仪器就是射电望远镜。

      1.射电望远镜

射电望远镜是地面监测太阳射电活动的主要常规设备。其基本原理和光学反射望远镜相似,投射来的电磁波被一精确镜面反射后,同相到达公共焦点。与光学望远镜不同的是,射电望远镜既没有高高竖起的望远镜镜筒,也没有物镜和目镜,而主要由汇聚电磁波的反射面(即天线)、收集信号的接收机以及指向装置三部分构成。天线或天线阵将收集到的太阳射电波经过馈电线送到接收机上;接收机具有极高的灵敏度和稳定性,它将太阳射电波记录下来,并按特定的要求进行某些处理后显示出来。

太阳射电监测图1 射电望远镜

射电望远镜是我们聆听太阳射电波的巨耳,巨大的天线是其显著的标志。用旋转抛物面作镜面易于实现同相聚焦,因此射电望远镜的天线多采用抛物面型。

      2.太阳射电监测

太阳射电爆发通常与耀斑有关,它们一般起源于低色球层到太阳外日冕的整个太阳大气中。太阳向宇宙空间发射的电磁波中,从3毫米到40米的波段都可以观测到。当太阳上有射电爆发时,在某些射电频率太阳辐射流量会显著增长。为了确定射电源的位置甚至其细节,有必要得到射电源在一定波长里的像。因此,射电监测主要包括三个内容:单一频率的太阳射电流量密度监测、太阳射电爆发频谱监测和太阳射电成像监测。

● 太阳活动的单频率射电流量密度监测

单一频率的射电流量监测要素是该频率射电流量密度随时间的变化曲线。由于太阳辐射较强,利用一套小的抛物面天线(口径约2米)的无线电接收系统即可实现对太阳射电流量的监测。

通常对太阳射电波段上的3.2厘米、10.7厘米和20厘米波长的射电进行监测。其中,太阳10.7厘米波长(2840兆赫兹)的射电辐射流量是表征太阳活动水平的一个重要参量。加拿大不列颠哥伦比亚的彭带克顿无线电天文台每天都会通报10.7厘米射电流量的监测结果,中国国家天文台怀柔观测站也有专门的太阳射电望远镜每日监测太阳10.7厘米射电流量的变化。

太阳射电监测

图2 加拿大彭带克顿无线电天文2840兆赫兹太阳射电望远镜

太阳射电监测图3 2003年10月底11月初万圣节事件期间10.7厘米射电流量变化(F10.7指数)

● 太阳射电爆发频谱监测

射电频谱能使我们了解射电源的运动和源的物理环境以及它们随时间的变化。太阳射电爆发频谱监测就是记录太阳射电频率和时间的连续谱图。

太阳射电动态频谱仪是对太阳射电进行宽频带连续谱观测的射电望远镜,也是监测太阳射电爆发的主要设备。频谱仪一般由宽频带天线系统、宽频带扫频接收系统和显示记录系统三个主要部分组成。澳大利亚于1949年最先研制成功这种频谱仪,它工作于米波段(70~130兆赫)。随着太阳射电研究工作的深入和无线电电子技术的发展,频段逐渐向高低两端扩展。美国哈佛大学射电天文站在1956年建立了三台动态频谱仪,分别工作于100~180兆赫、180~320兆赫和 320~580兆赫;现在共有九台,覆盖10兆赫到4,000兆赫的整个频段,对太阳射电进行常规监测。

射电频谱仪现今的最低工作频率为5兆赫,而最高工作频率已接近10,000兆赫。除澳大利亚和美国外,俄罗斯、捷克、瑞士、中国等很多国家都拥有这类仪器。

太阳射电监测图4伴随日冕物质抛射的太阳射电爆发频谱

● 太阳射电成像监测

在太阳射电监测要素中,除了监测某一频率射电辐射流量密度随时间的变化外,还包括该射电爆发源在太阳上的位置信息,这就需要对射电进行成像监测。

射电成像监测技术较复杂,莱尔发明的“孔径综合”技术成功解决了射电望远镜的高分辨率、高灵敏度和成像能力等一系列难题。利用这种技术研制的望远镜就是综合孔径望远镜。“孔径综合”技术可以设想把抛物面天线分成许多小单元,小单元的两两组合相当于许多副干涉仪,在馈源上汇集所有的两两组合的干涉波。把每个小单元用一个小天线代替,由许多小天线组成的许多干涉仪所得到的信号相加,和一个完整巨大天线的一样。

太阳射电监测

太阳射电监测

a) 旋转抛物面                           (b) 振子阵                               (c) 两单元

图5综合孔径望远镜成像原理

 

国外用于太阳射电成像观测的专用设备主要有日本野边山的太阳射电日像仪,工作频率为17吉赫兹和34吉赫兹,空间分辨率为10秒;法国南锡的米波太阳射电日像仪,可以在150~450兆赫兹之间的5个频率成像;美国欧文斯谷的太阳射电日像仪目前有5个天线单元;俄罗斯伊尔库斯克的十字阵日像仪,工作频率为5.7吉赫兹,空间分辨率为22秒。另外还有美国的甚大阵、荷兰的威斯特堡射电阵、中国科学院国家天文台设在北京密云的米波综合孔径望远镜等,这些设备虽然都不是太阳射电专用监测设备,但它们仍在太阳射电研究中发挥了重要作用。

太阳射电监测图6日本野边山日像仪及1992年9月7日拍摄的射电爆发图像

weinxin
扫码,关注科塔学术公众号
致力于成为国内领先的科研与学术资源导航平台,让科研工作更简单、更有效率。内容专业,信息准确,更新及时。
avatar