太阳射电天文学的观测技术

太阳射电观测有记录的历史最早可以追溯到1890年，托马斯.爱迪生提出利用电缆缠绕铁矿石的方法探测太阳射电信号，然而这一试验并没有付诸实施。英国物理学家SirOliverJ.Lodge在1897-1900年间建造了一个比爱迪生设想更复杂的太阳射电探测器，但灵敏度仍然不足。随后，德国天文学家JohannesWilsing和JuliusScheiner建造的一个设备也没有观测到太阳的射电信号，但他们是第一个将太阳射电观测目标写下来并发表的天文学家。
1900年，法国研究生CharlesNorman建造了一个线天线，安装在阿尔卑斯山的冰川上，他已经非常接近于探测到太阳低频射电爆发信号。然而，不幸的是，当时正处于太阳活动的谷年。此后，太阳射电观测沉寂了很多年，直到20世纪20年代，英国物理学家OliverHeaviside证实了电离层的存在，射电天文学家才意识到只有高频射电接收机（>20MHz）才能接收到穿透地球电离层的太阳射电信号。
1942年，英国防空雷达受到了强烈射电干扰，后经分析发现与太阳耀斑爆发相关。同年，美国贝尔实验室首次探测到宁静太阳的1厘米和10厘米的射电辐射（1945年发表）。美国天文学家GroteReber利用自制的射电望远镜在持续的观测中探测到160MHz的强太阳射电信号，并于1944年在ApJ上发表了相关研究论文（图1），成为第一个发表太阳射电观测结果的天文学家。二战结束后，太阳射电天文学迎来了空前蓬勃的发展。

图1.Reber的射电望远镜以及论文中太阳经过银河系中心的射电信号（图源：ReberG.,ApJ,1944）
早期的太阳射电望远镜一般是在单个或几个频点上探测太阳射电辐射在不同极化方向上的总流量，这种设备又叫流量计或偏振计，例如美国空军天文台的射电太阳望远镜监测网、怀柔基地的2840流量计、日本NoRP偏振计（7个频点）等。这些设备采用超外差结构的接收机，利用平方律检波器和积分器实现对太阳射电信号功率的检测。太阳物理学家们发现，太阳在10.7厘米波段的射电辐射强度与太阳活动的相关性最好，因此从上世纪六十年代起国际上建立了许多10.7cm太阳射电流量计，作为太阳活动监测和预报的工具。我国在70年代建设的第一台太阳射电望远镜也正是这样一台流量计（图2）。

图2.怀柔2840流量计（左）和从上世纪70年代开始的观测记录（右）（图源：历史资料）
然而，对于太阳物理研究来说，射电宽带动态频谱观测是至关重要的，也是太阳射电观测必然的发展方向。在频谱分辨率低时，可采用多组接收机并行工作；而在频谱分辨率要求较高时，需要采用快速改变本振频率的方式来实现宽带频率连续扫描。随着宽带模拟和数字接收技术的发展，超宽带、高频谱分辨和高时间分辨的动态频谱观测已经可以实现。 20世纪90年代以来，国内外建立了大量高分辨率动态频谱仪，频谱分辨率达到0.2MHz ，时间分辨率达到2ms ，利用这些设备获得了大量科学发现（图3）。

图3.怀柔太阳射电宽带动态频谱仪和部分该设备首次观测并由我国科学家命名的射电爆发（右上：“鱼群”爆发，右下：“手型”爆发）（图源：Huang&Tan,ApJ,2012）
为了进一步研究太阳表面剧烈的爆发活动，射电爆发的空间分布信息至关重要，这就需要对太阳进行射电成像。利用望远镜对观测目标进行射电成像的技术主要有扫描式、多波束方式以及综合孔径方式等多种（图4）。