用无线电看太阳

“

“信号来自太阳。”叶文洁说。窗外，太阳的边缘已接近天边的山顶，血红血红的。

“你用红岸系统向太阳发信号了？”杨卫宁紧张地问。

叶文洁点点头。

“这事不要对别人说，下不为例，绝对的下不为例！”杨卫宁警觉地回头看看门口说。

叶文洁又点点头。

“这有什么意义嘛，回波一定是极弱的，远远超出了常规电台的接收能力。”

“不，如果我的猜想是正常的。将收到极强的回波，强得……难以想象，只要发射功率超过个阈值，太阳……就能成亿倍地放大电波！”

——《三体1 地球往事》 红岸之五

”

读过《三体》的朋友们还记得读到此处时心跳骤然加速的感觉吗？《三体》中的太阳射电观测中心－－红岸基地，又曾带给你何种想象？

“

红岸系统最初是承担了一些射电天文观测项目。那时它是国内最大的射电望远镜。后来，随着其他射电天文观测基地的建立，红岸的研究主要集中在对太阳电磁活动的观测和分析上，为此还加装了一台太阳望远镜，我们建立的太阳电磁活动数学模型当时在那个领域是领先的，也有了许多实际应用。

——《三体1 地球往事》 红岸之四

”

大刘笔下，叶文洁通过红岸计划提供的大功率天线最高发射功率突破了太阳对流层的辐射屏蔽阈值，向宇宙以II型文明的能级进行了广播。红岸计划从某种意义上完成了其寻找外星人的历史使命。而现实生活中，太阳射电观测又是在做什么呢？

让我们先从太阳射电谈起。

    太阳射电   

什么是太阳射电呢？这无疑是一个庞大而复杂的问题。先给出一个笼统的定义吧，射电波段（也叫无线电波段）是电磁波谱中的一段。如下图所示，射电波段的波长比可见光波段的波长要长很多：

图片来源：维基百科

不仅短距离的无线电通讯的频率属于射电波段（无线电波段），我们用的WiFi（频率2.4GHz）也属于射电波段。而太阳射电，简而言之，指的就是来自于太阳的，射电波段的电磁波。

  我们为什么要关注太阳射电呢 ？    

太阳是⼀个活跃的恒星，耀斑、⽇冕物质抛射和⽇冕喷流等太阳活动都会伴随有太阳射电爆发的现象，可见太阳的射电辐射与太阳活动密切相关。通过对太阳射电辐射的观测研究，可以更好的理解太阳活动的起源演化，磁场能量的储存和释放，粒⼦的加速和输运等⼀系列过程。

除了类星体、脉冲星等深空射电源之外，太阳射电源是相对较强的天⽂射电辐射源之中，离地球最近的恒星。近年来，随着射电天⽂学的发展，射电天⽂观测所得的数据越来越丰富和精确。科学家们对于太阳射电抱有极⼤的热情，20 世纪 40 年代以来，科学家们积累了⼤量关于太阳射电的观测数据和分析资料。

“

其实太阳电磁辐射的稳定只局限于包括可见光在内的从近紫外到中红外波段，在其他的波段上，它的辐射是动荡不定的。

——《三体1 地球往事》 红岸之五

”

你可曾对此处有所疑问？太阳辐射在各个波段是怎么分布的呢？

下图是地球大气上界(Top of the Atmosphere)太阳辐照度、海平面(Sea Level)太阳辐照度以及5250度黑体辐射(黑色曲线)的对比示意图。从图中来看，太阳辐射的波谱范围跨越很大，从紫外到微波，与黑体辐射谱相近但不完全相同。而且严格来讲，太阳辐射在各个波段都是不断变化的。

大气层顶、海平面的太阳辐射与黑体辐射对比图

［图片来自网络］

不过，太阳短波辐射的能量99%都集中在可见光波段(0.38-0.76μm)和近红外波段(0.76-3 μm )，这段波段能量最集中，相对来讲较为稳定。值得注意的是，经过地球大气，在很多波段太阳辐射强度都发生了很大的变化。那么，射电波段是如何脱颖而出的呢？

    观测太阳的两扇窗    

首先，我们需要能“看”到来自太阳的电磁波。这里就要介绍一下【大气窗口】这个概念。

图片来源：百度百科

太阳发射到地球的光会有相当一部分被大气吸收或反射，而我们能观测到的是大气吸收少反射少的部分，其中，我们所熟知的可见光就是一个很重要的部分。所以，地基观测有很多是关于可见光的，比如说很有名的大熊湖的可见光观测：

可见光的观测，因为受到折射效应相比射电波段比较小，所以可以得到更加稳定的观测图像，可以很清晰的观测到黑子等太阳活动的细微变化，甚至可以刚测到更精细的结构－－米粒组织。

图片来源：BBSO官网

除了可见光波段，另一常用的太阳观测波段便是几乎不受大气影响的射电波段了。关于大气对于各个波段的电磁波的吸收，有如下这样一张图，纵坐标为大气吸收百分比：

图片来源：维基百科

最左侧为伽马射线、X射线和紫外极紫外部分，这部分几乎被大气完全吸收，能到达地球的微乎其微。这些波段大部分通过卫星来观测。

中间很窄的一段彩虹色标记的部分是可见光，吸收比很低，大概只有不到百分之十的样子。再往右我们可以看到，比这个可见光波段波长更长一些的电磁波，红外和远红外的部分，也有一些大气吸收系数较低。但是这些电磁波段并不连续，因而难以满足观测需求。

波长再长些，也就是射电波段，波长从厘米到十米这个区间内，有一段很宽的频段，这个频段的电磁波基本上不会被大气吸收：这些电磁波可以直接穿过大气层，长驱直入，到达地球表面的时候几乎“毫发无损”。所以这个波段是一个很好的观测波段。

可以这么理解：上帝给我们打开了两扇窗来观测太阳，第一个是可见光，第二个就是射电波段。我们从这两扇窗口来观测太阳。

后续会继续介绍更加详细的观测手段和研究方法，敬请期待！

撰稿人：张沛锦

排版／修改／责编：zunzun

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