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新设备、新数据、新科学 --- 高水平科技自立自强 精选

已有 7632 次阅读 2022-12-26 12:18 |系统分类:科研笔记

新设备、新数据、新科学 --- 高水平科技自立自强

---- 守株待阳迎喜讯

---- 三新一高立新标

2022年12月20日,居家“守株待阳”时迎来了这篇具标志性意义的文章被ApJL---天体物理学快报---接受发表的喜讯。其标志性意义在于:支撑研究主要结论的太阳耀斑微波辐射数据源于自主研发的科研装备---35-40GHz毫米波太阳射电频谱仪---这是世界上首台套也是目前为止唯一一台套工作于毫米波频段的太阳射电频谱仪,所产生的数据是新的---这个新不是新旧的“新”、而是不曾存在过的那种“新”---所得到的数据和科学自然也是新的。

该设备的研制始于2018年初,至当前第一篇耀斑研究文章发表,历时近五年。设备第一版早在两年多前便已建成并投入常规观测。然而,前两年太阳小憩正处活动低年,罕有大耀斑。时间在焦急等待中一天天过去却只逮到一例X级大耀斑及一例M级中等强度耀斑,其余相对较弱耀斑的信号大都被淹没于设备噪音之中(或根本未产生可观测的信号)。因此,很早就意识到这套设备的最大问题就是系统噪声太高或曰灵敏度太低:太阳盘面整体是个很强的毫米波辐射源,而耀斑---发自很小的源区---毫米波辐射强度往往是一个小量,一旦耀斑辐射无法显著超越噪声涨落,便无法被探知。

为解决这个关键技术点,在第一版的基础上,课题组对设备重新设计、测试和调校,一方面加入了校准专用标准噪声源,又引入恒温装置,还改变部分技术体制以提升系统灵敏度。由此得到第二版,实现了由问题或科研需求驱动的第一轮技术迭代。

本文所报道的事件其实就是第一版设备所观测到的第一例耀斑事件。信号的强度---令人欣慰地远超太阳盘面的同频段辐射强度,故而信号之显著令人振奋。

设备造出来之后,数据的分析处理,特别是校准,也是一个很大的问题。设备第一版未采用恒温控制,且毫米波辐射受云层、水汽、环境温度等因素影响显著,因而将系统读数校至标准太阳辐射流量单位并非“一蹴而就”的易事。课题组尝试采用新月定标方法---观测每月三十或初一晚上与太阳同升共起的新月,将所得读数基于已知新月辐射强度数值去标定太阳爆发时的测量值---还好,基于这一方法可较好定标。在第二版中,索性加入标准噪声源---尽管这会带来新的插损但需适当承受,所得定标精度已远高于第一版新月定标相应精度。新版中,又使用了全波导硬碰硬之连接方式,从而达到最终降低系统噪声系数的目的。

这样,为满足科研的创新需求,需跨入无人区研制新的“趁手”科研装备;而所得设备便会产生新的观测数据,基于此就有望获得新的发现;再根据发现和分析提出新的问题与需求,进而改进、升级或换代相应设备,此为一轮循环。大概完成一两轮如此之科学-技术-设备的更新迭代或循环,便有望步上该领域方向的所谓“引领“地位。研制该套设备的空间电磁探测技术实验室(Laboratory for ElectromAgnetic Detection)被简称为LEAD,便具此寓意愿景。这也展现给我们一条”高水平科技自立自强“的”三新“之路径。

 

好了,现在可言归正传,继续介绍文章所研究的耀斑毫米波辐射新特征。先介绍一下设备的关键科学目标,就是精确测量耀斑毫米波回旋同步辐射谱!这至关重要!为什么?耀斑过程中,有大量能量首先被转移到高能电子之上,再由这些高能电子去产生微波(包括毫米波)射电及硬X射线等辐射方得到所谓耀斑,可以说耀斑物理研究的核心关键正是要搞清楚这些能量粒子怎么被加速的、相应辐射或者说是如何“耀”的?

然而,目前无法直接探测耀斑区域的高能电子,只能通过探测相应电磁辐射去推断高能电子的性质。微波辐射正是很好的探测耀斑高能电子“上好绝佳”的电磁窗口。以往,在20GHz以上,仅在如日本野边山台站35GHz等极少数分立频率上可测量辐射流量,因此,以往对耀斑毫米波辐射能谱的测量非常之不靠谱、甚或根本无法开展。这次所研制的仪器,尽管只是微波频域的一小段,但仍然起到非常好的“示范”作用,在限定毫米波辐射能谱参数方面已有效果!

理论上讲,我们的设备在35-40GHz范围内可给出上万频点的辐射流量。当然,为确定辐射能谱,并不需如此多频点数,大概十个也就够用。这些频点,结合上述日本台站给出的17与35GHz双频点数据,通过拟合已可非常好地限制相当一部分回旋同步辐射谱的谱形参数,特别是在回旋同步辐射谱的翻转(turnover)或峰值频率低于35GHz时更是如此;其次,数据表明,在此次耀斑爆发最高峰时,35-40GHz频域的辐射流量随频率增加而增加,即斜率为正,这样的情况持续了整整15秒,说明这段时间内,回旋同步辐射谱的翻转频率超过35甚至40GHz。这些结论都是因为有了这一新的设备和校准后的数据才有可能获得的。这一类高翻转频率事件,大都对应于很强的耀斑,因而不论在科学研究还是在空间天气灾害预警方面都有很高价值。

两个审稿人也有相应评论:“This (指审稿人建议再加强本设备数据谱形参数分析) will be done for the first time in mm-observations of the radio burst spectral dynamics and will be definitely useful for the theory of solar flares.”;“The more important conclusion from the paper is the demonstration that the new system is working well and capable of contributing significantly to scientific studies …… The plans for expansion of this system to measure across a much broader frequency band are certainly attractive and will offer much more science if completed.”。附:文章预印版链接 https://arxiv.org/pdf/2212.12314.pdf


35-40GHZ.png

图. 上栏两图为SDO卫星拍摄到的极紫外耀斑爆发图像,中图为本文设备所给出的35-40GHz耀斑爆发动态频谱,下图为该设备给出的三频点辐射流量随时间变化的剖面曲线图。

 

综上,有所感悟:空间科学的创新研究,需要有能力研制新的、世界上不曾存在过的观测装备,这往往需要很长的周期,需要把团队的创新链条尽量拉长,需要推进理工学科交叉融合,需要建立科学技术工程于一体的大团队,还需要多轮技术迭代---由以往采购现成设备或直接从网络下载国外观测数据“上台阶”到自主研制科研装备、获得观测数据、自主测试校准等。这些特征---周期长、创新链长、理工交叉、科学技术工程大团队等都是推动科技高水平自立自强所不可或缺的要素。

 

当前“破五唯立新标”,这“三新一高”应为新标之一。




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