清华大学楼宇庆教授访问新疆天文台并进行木星国际联测

Original 2017-05-08 物理与工程 物理与工程

2017年3月25日和26日的深夜到翌日早晨，世界上多个地面射电天文望远镜配合天上的JUNO进行了对木星的国际联测。日本鹿岛宇宙通信中心、印度国家射电天体物理中心和中国科学院新疆天文台南山观测站的相关科研工作人员都对木星的运行轨迹实时跟踪监测。自2016年7月4日以来，美国宇航局（NASA - National Aeronautics and Space Administration）的木星空间探测器JUNO（JUpiter Near-polar Orbiter）也一直沿椭圆轨道环绕木星进行持续不断的飞行观测。2016年6月底，清华大学物理系楼宇庆教授向湖北省武汉市华中科技大学师生介绍了JUNO空间卫星和木星相关的科学问题，此后相继访问奥地利、日本、阿拉伯联合酋长国参加国际学术会议开展同行交流合作，走访相关望远镜和空间中心，具体探讨地面射电望远镜配合JUNO卫星联测木星事宜。按计划，2017年3月25至27日楼宇庆教授访问了新疆天文台南山观测站并进行了木星国际联测（其中部分时间为国家探月工程项目临时插入使用）。

位于新疆自治区乌鲁木齐市的新疆天文台南山基地的26米射电望远镜2017年2至3月份刚刚更新升级完毕（此前口径为25米），长期承担着重要的国际合作及国内重大课题的天文观测研究任务，是欧洲甚长基线干涉网（EVN - European VLBI Network; VLBI - Very Long Baseline Interferometry），国际动力测地网（IVS - International VLBI Service for Geodesy and Astrometry），俄罗斯低频VLBI网（LFVN - Low Frequency VLBI Network），东亚VLBI网四个国际合作组织的正式成员。南山望远镜参加了11项国际合作计划，承担着国家攀登计划、大科学工程、探月工程、火星探测、国家自然科学基金课题、中国科学院基础研究重点项目以及多个单天线国际合作天文观测研究任务和项目。此外，在新疆自治区政府的大力度资助支持下和新疆天文台领导与同事们的多年坚韧不懈努力下，2017年内将在新疆奇台县（位于乌鲁木齐东北200多公里处）江布拉克附近正式开启建造110米口径的射电望远镜（简称QTT - QiTai radio Telescope）。新疆天文台有意采用先进的时间同步方式来建立局部望远镜网。

雪后初霁，远远可见白皑皑的天山余脉，新疆天文台南山观测站刚刚更新升级完毕后的26米射电望远镜（楼宇庆教授摄于2017年3月25日）。

雪后初霁，肥羊满地，新疆天文台南山观测站刚刚更新升级完毕后的26米射电望远镜（楼宇庆教授摄于2017年3月25日）。

为做好本次木星国际射电联合观测前的相关准备工作，新疆天文台的合作人员很早就来到南山观测室。楼宇庆教授一行到达时，所选标准源（作为流量观测稳定性的参考比照用）的流量曲线已经出现在计算机电脑显示屏上。接着相互交替，木星内辐射带6厘米波段流量曲线随其运行轨迹便实时出现了。这是南山26米射电望远镜更新升级后首次用其6厘米波段接收机观察木星的内辐射带（这里涉及所谓的同步辐射 - 即相对论电子环绕磁场时所产生的辐射），通常平稳，时而似受干扰影响而出现异样。经过彻夜观测，关于木星运行和其内辐射带6厘米波段流量变化的数据都被完整地记录下来，有待进一步综合研究分析。

楼宇庆教授与新疆天文台的合作人员讨论木星内辐射带流量变化观测方案和方式。

楼宇庆教授与新疆天文台的工作人员合影。

基于前期的大量观测（特别是Ulysses宇宙飞船1992-1993、2004和Chandra X射线空间卫星2000的意外重要发现）和理论模型兼数据分析工作（Lou 1994a,b;1996,2001a;Lou & Zheng 2003; Lou,Song,Liu,Yang 2012),楼宇庆教授二十多年来一直关注着木星极区的准周期性爆发活动现象的物理特征和其内辐射带相对短时标（小于1个小时）的同步辐射流量变化，成功地预言了木星在其两极区都应当有准周期性爆发活动的全球特征和木星北极区准周期性低频射电暴辐射的左旋偏振特征（其南极区的是右旋偏振）。有待进一步深入观测证实的相关理论预言还包括：木星北极区同样会发生准周期性的相对论电子暴和与其紧随相伴的准周期性低频射电暴且具有左旋偏振特征；木星北极区准周期性爆发活动同样应与高速太阳风抵达木星磁层相关联；木星南极光区和北极光区中的极光椭圆环和X射线热点可由此引发相关联的准周期性的变化；木星南极光和北极光的特征光谱线很可能有与此相关联的准周期性变化；木星南极区和北极区逸出的准周期性相对论电子暴物理上源自木星的内辐射带；木星的内辐射带可以受激产生准周期性的磁流体惯性震荡-包括基频和高次谐波（Lou 1987, 2001a）等等。楼宇庆教授于2006年10月首先使用乌鲁木齐南山射电望远镜(当时25米)的6厘米接收机监测木星内辐射带的短时标准周期性变化(Lou et al. 2012)并分析相关太阳风数据。这次期待JUNO空间卫星在轨运行期间及时捕捉到木星南、北极区的准周期性爆发活动，并再次确认其与抵达木星的高速太阳风间歇变化的紧密相关性。

计算机显示屏上展示着用新疆天文台南山观测站更新升级后的26米射电望远镜6厘米波段接收机观测木星内辐射带流量变化的多幅实时扫描图。

就磁流体理论模型和物理概念而言，木星内辐射带的磁流体惯性震荡模型（Lou 2001a)经适当调整可以自然延伸应用于磁化旋转流体系统中，包括如：地球的、土星的（土星磁层有约1小时准周期性活动; 地球、木星、土星的两极都观测到有极光椭环）、太阳系外（磁化）行星的以及磁褐矮星的乃至磁白矮星的（Lou 1995）。在磁化的旋转星体系统中，磁流体惯性（潮汐）震荡包括全球范围大尺度的磁化Alfven-Rossby波（Lou 1987文章以全球磁流体推广了Haurwitz 1940全球流体Rossby波,参见Rossby et al.1939的局部近似，并讨论分析磁Rossby型波在太阳和恒星中的应用）。在快速旋转致密的中子星表面上的超薄“磁化等离子体海洋”中（标高量级约为10厘米），除磁化Rossby波外，同样还可能激发磁化Kelvin波、磁化Poincare波以及磁化Rossby-Poincare混合波等若干种磁流体惯性潮汐波的震荡和传播模式(Lou 2001b)；前述各类长时标的周期性波动可以物理调制射电脉冲星（以及多频段辐射的脉冲星，包括射电、红外、光频、紫外、X射线和伽马射线等波段）的脉冲信号。类似的物理现象同样可能发生于旋转磁化的太阳系外行星、褐矮星和白矮星等。就地球大尺度动力大气物理而言，Rossby波至关重要（Rossby et al. 1939)。就太阳和恒星物理而言，大尺度磁化Alfven-Rossby波自然也非常有可能存在于太阳和其它旋转恒星的磁化表面流体层（Lou 1987）并相应产生可侦测到的直接或间接的物理效应。基于探测到的各类太阳活动现象的长时标准周期性，楼宇庆教授曾经专门撰文指出，在太阳活动周期极大的几年时间之内的耀斑活动、黑子面积或群以及与之相关联的侦测信号的准周期性可以由太阳Rossby型波引发(Lou 2000及其中参考文献)和进一步的探测手段;与此相关联也是相类似地，太阳磁活动中的大尺度日冕物质抛射现象所显示的长时标准周期性也同样可以由太阳Rossby型波诱发（Lou et al. 2003)。

直到2017年3月底仍有新近文章报告用众多日冕极紫外亮点来探测太阳冕层中向西漂移的磁化Rossby型波的迹象(McIntosh et al. 2017)。

楼宇庆教授在新疆奇台110米射电望远镜（QTT – QiTai radio Telescope）的施工地与德国资深工程师交谈。QTT毗邻绮丽多姿的江布拉克（哈萨克语意为“圣水之源”。）风景区。通往QTT的道路正在开拓修建之中。在自治区政府鼎力资助下，2017年内即将启动建造QTT。

楼宇庆教授说：“同样极为有趣的是随着26米射电望远镜的隆隆转动来直接寻找目测天空中的木星，并通过此亲身体验方式使得非专业人士茅塞顿开。这是极为关键有效、使人印象深刻的科普。南山观测站海拔2000多米，夜色中白雪覆盖，方圆几公里内漆黑一片，伸手不见五指，抬头只能望见一轮明月和满天繁星。浩瀚的星空中，到底哪一颗是木星呢？随着望远镜的转动和木星轨迹的观察推测，我们能相当准确地判断望远镜观测木星和作为射电流量参考的标准源的位置。顺着望远镜的指向望去，参加联测木星的人员基本断定，我们用肉眼看到的那颗稍大且相当明亮的星体就是木星！这和我们工作人员先前凭感觉的猜测完全吻合一致！”

本次射电联测在“木星冲日”前后举行，利用了“木星冲日”时木星距离地球最近、也最明亮的最佳观测和拍摄时机。“木星冲日”是指木星、地球在各自轨道上运行时与太阳重逢在一条直线上，周期为399天左右。

相关背景介绍：

在鹿岛（Kashima，35°54′N，140°42′E）宇宙通信中心建成的34米抛物面射电天线，位于西北太平洋日本本州东部茨城县，在国际上亦属大型天线，此次前后几天在L和X波段同时监测木星。口径的增大，使接收灵敏度提高。尤为重要的是，该天线系统的接收机依靠外围冷却可实现低噪声化，更进一步提高了接收机的灵敏度。

位于印度西岸孟买东南140公里的浦那(Pune)的巨型米波段射电望远镜GMRT （Giant Metrewave Radio Telescope）是印度的骄傲。这座由30架口径45米的巨大抛物面天线组成的射电天文望远镜群是印度之冠，座落在浦那市北80公里的一片面积为250英亩的美丽宁静的山坡草坪上。在150-1400兆赫的频率范围内，浦那的GMRT堪称世界上非常强大的射电天文望远镜阵列。

美国航空航天局（NASA）的JUNO木星探测器于2011年发射升空，2016年7月5日抵达木星。升空后，JUNO卫星分别在2011年8月30日和2012年9月3日两次启动主引擎修正轨道。JUNO承担着重要的科学观测任务，为实现其科学目标，飞船采取了木星极轨道，飞行高度可以很低，以便获取精确的木星引力场测量数据。该轨道设计可以避免进入危险性最高的辐射区，从而最大限度地保障飞船和实验仪器的安全。木星的辐射带分布类似地球的范艾伦辐射带（Van Allen radiation belt），而其辐射强度要强很多。JUNO在环绕木星过程中，最近距离木星云层顶部不到5000公里。古代罗马神话中万神之王Jupiter的妻子名为JUNO，她具有穿云破雾，洞察真相的本领。本次空间探测任务被命名为JUNO，寄意JUNO飞船能看穿木星厚厚的大气云层，洞察行星奥秘。

对木星的观测将是一项长期的任务。JUNO环绕木星旋转33圈，每圈需要53天，故JUNO完成对木星的探测任务需要5年时间。在此期间，国际木星联测将尽力配合JUNO的空间观测，足以证明探测木星的重要性。中国也正在酝酿开启深空探测木星的准备工作。

参考文献：

1. Y.–Q. Lou, The Astrophysical Journal, 548, 460 (2001a).

2. Y.–Q. Lou, C. Zheng, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. Letters, 344, L1 (2003).

3. Y.–Q. Lou, et al., Mon. Not. Roy. Astron. Soc. Letters, 421, L62 (2012).

4. Y.–Q. Lou, Geophysical Research Letters, 23, 609 (1996).

5. Y.–Q. Lou, Journal of Geophysical Research, 99, 14747 (1994a).

6. Y.–Q. Lou, Astrophysics and Space Science, 222, 231 (1994b)

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8. Y.–Q. Lou, The Astrophysical Journal, 322, 862 (1987).

9. Y.–Q. Lou, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. Letters, 275，L11 (1995).

10. B. Haurwitz, Journal of Marine Research, 3, 254 (1940).