新知 | 太阳射电天文学——探测看不见的爆发过程

太阳射电天文学,简单地说就是利用射电望远镜观测研究太阳的一门学科。最早的射电天文学几乎就是从太阳射电观测中发端的。

早在1869年,英国著名理论物理学家麦克斯韦提出,恒星可以在任何波段产生电磁辐射,包括射电波辐射。一些著名学者,包括发明家爱迪生和物理学家马克斯·普朗克先后指出,太阳应该能够产生射电波发射。1940年,美国科学家Grote Reber利用自制的9.45米口径的抛物面射电望远镜首次观测到在162MHz很强的太阳射电信号。1942年,正与德军鏖战的英军防空部队的米波炮瞄雷达突然接收到来自太阳的强烈信号干扰,后经分析发现该信号恰与太阳上的耀斑爆发事件密切相关,从此宣告了太阳射电天文学的诞生。

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图1. 最早开展太阳射电观测研究的美国科学家Grote Reber(1911-2002)(图源:百度)

众所周知,望远镜的最小空间分辨角与波长成正比,与望远镜的口径成反比。由于射电波的波长是可见光的几万倍到数千万倍,如果我们希望达到光学望远镜那样的空间分辨率,就要求射电望远镜的口径是光学望远镜的数万倍到数千万倍!对于10厘米口径工作在500纳米波长的光学望远镜所获得的空间分辨率,工作在10厘米波段的射电望远镜的口径则必须达到200公里!这是一个几乎无法实施的超级工程!正因为如此,由于口径限制,我们迄今所获得的太阳射电图像几乎都是模糊的,远没有太阳光学图像那么清晰和震撼。

那么,是不是太阳射电天文学就不重要了呢?

事实正好相反,太阳射电天文学不但非常重要,对于太阳爆发的许多现象,它几乎就是唯一的研究手段!

我们知道,太阳会不时地发生耀斑、日冕物质抛射等剧烈爆发事件,在这些事件中除了会抛射出大量高温等离子体云团外,还会释放出巨大的能量,加速并发射大量高能带电粒子。这些高能粒子在行星际空间的高速传播,对在轨运行的各种航天器、空间站、载人航天、卫星通讯、卫星导航以及地面的大型电网等高技术系统产生严重威胁,构成所谓灾害性空间天气事件。

我们的光学望远镜,包括工作在可见光、紫外和近红外波段的太阳望远镜,对这些高能过程,尤其是高能粒子的加速和在空间的传播过程几乎都是看不见的。然而,在射电望远镜中,这些高能现象却能非常显著地表现为各式各样的射电爆发,如太阳射电I型暴、II型爆、III型爆、运动IV型爆等,其中,不同类型爆发背景上还存在大量频谱精细结构,例如斑马纹、纤维、鱼群、准周期脉动、尖峰群等结构。这些不同类型的太阳射电爆发以及不同的频谱精细结构分别对应着不同太阳物理过程中非热粒子的加速和传播过程。

由图2中的对比可知,太阳射电爆发的辐射强度比宁静太阳和银河系背景辐射强数百倍到百万倍以上,具有非常灵敏的响应。因此,我们说太阳射电天文学可以探测到其他手段根本就看不见的太阳爆发过程。太阳射电观测与其他多波段观测相配合,是研究天体等离子体物理环境中爆发的触发机制、先兆特征、能量释放机制、粒子加速机制的重要途径。

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图2. 太阳射电爆发与宁静太阳和银河系背景辐射的对比(图源:Dulk, ARA&A, 1985)

此外,太阳射电辐射占据了从亚毫米波到千米波的极宽频率范围,频率跨度达7个数量级以上,对应的辐射源区则覆盖了太阳光球、色球、日冕、直至行星际空间,不仅能对太阳爆发产生的高能粒子进行观测,还能对日冕物质抛射、行星际激波等在极稀薄的行星际空间的传播和演变进行追踪观测,这也是其他探测手段难为其力的。这对灾害性空间天气的监测和空间物理研究都是至关重要的。

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图3. 太阳射电辐射覆盖了从太阳到地球附近的广阔空间(图源:自制)

来源:中国科学院国家天文台

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