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打开宇宙观测“新姿势” 射电望远镜发展之路①

来源:光明网2019-12-26 09:31

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  射电望远镜(Radio Telescope)是指观测和研究来自天体射电波的基本设备,可以测量天体射电的强度、频谱及偏振等指标,包括收集射电波的天线、放大射电信号的高灵敏度接收机以及信息处理、记录和显示系统等。20世纪60年代天文学取得的四项非常重要的发现:脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射和星际有机分子,都与射电望远镜有关。接下来就跟随我们一起,了解下射电望远镜那些事儿吧~

  射电望远镜的起源

  在很多人看来,射电望远镜不过就是一口“大锅”罢了。其实,射电望远镜并不一定都长得像锅,1931年,射电天文学鼻祖、美国著名无线电工程师与天文学家央斯基(Karl Guthe Jansky)研制了一台由天线和接收机组成的设备,其外形酷似“旋转木马”,被称为“旋转木马”射电望远镜。央斯基利用这台射电望远镜发现了银河系中心的射电辐射,标志着射电天文学的诞生。

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  图1 央斯基和他的射电望远镜[1]

  作为天文望远镜的一种,射电望远镜是捕捉宇宙中电磁波信息的重要工具,几十年来它经历了从小口径到大口径、从米波段到毫米波段、从单天线到多天线、从地面到太空的发展过程。

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  图2 天文望远镜发展

  大型射电望远镜的主要形式

  除了射电天文观测之外,有不少大型射电望远镜还应用于深空探测领域,由于深空探测器距离遥远,到达地面的信号非常微弱,下行有效载荷的科学数据接收、测控信号的收发以及轨道的测量与跟踪都需要利用大型射电望远镜来实现。

  根据不同的观测目标和工作频段的需要,大型射电望远镜的“锅”具有各种不同的形式,主要的有旋转抛物面天线、抛物柱面天线和球面天线等。

  旋转抛物面是大型全可动射电望远镜中应用最多的形式,可以获得较高的天线效率和接近全天区的空间观测范围,但由于在进行跟踪观测时需要整个天线都随着目标源转动,所以对观测频段的提高和天线口径的增加也受到了工程极限的限制,目前旋转抛物面射电望远镜的最大口径仍局限在百米量级。旋转抛物面射电望远镜汇聚信号的基本原理与汽车车灯装置利用抛物面发射平行光的原理相似,二者均利用了抛物面能将平行光汇聚到一点的几何特性。

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  图3 汽车车灯装置利用抛物面发射平行光(左)与抛物面射电望远镜汇聚信号(右)

  世界上第一台专用抛物面射电望远镜当属雷伯射电望远镜。这台射电望远镜口径9.6m,工作波长最初在1.87m,改进后为0.6m,采用了一些木质结构,总重约两吨。1941年,雷伯用这台望远镜进行了人类第一次射电巡天,发现了天鹅座、仙后座和人马座中的3个强射电源,获得了人类历史上第一幅银河系射电天图。

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  图4 雷伯射电望远镜(左)及其复制品(右)[2]

  抛物柱面天线效率较低,一般应用于低频或特殊需求的场合,例如天籁项目中用于暗能量射电探测的阵列即使用了抛物柱面天线。

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  图5 中国新疆天籁抛物柱面天线阵

  球面天线由于良好的对称性可以固定不动,可以突破旋转抛物面射电望远镜口径的技术限制,实现更大口径射电望远镜的建设,但由于球面不能将平行光汇聚到一点,所以需要进行相差的二次修正,最具代表性的是美国Arecibo 305m射电望远镜。

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  图6 美国Arecibo Telescope 305m射电望远镜

  中国贵州的500米口径球面射电望远镜(FAST)在静止时也是球面的,但与Arecibo 305m不同的是,FAST通过创造性的锁网及控制技术在射电源跟踪时将主面实时的拉伸成旋转抛物面,兼顾了球面与旋转抛物面射电望远镜的优势,在保证天线效率的同时能够突破全可动旋转抛物面射电望远镜的技术瓶颈。

  单口径大型射电望远镜发展历程

  灵敏度和角分辨率是评价一台射电望远镜好坏的重要指标。灵敏度决定了望眼镜对微弱信号的观测能力,而角分辨率则决定了对射电源细节的空间分辨能力。这两个指标均与射电望远镜口径有关,口径越大,灵敏度越高,角分辨率也越高。射电望远镜所能汇聚的信号强度与等效接收面积成正比,对于旋转抛物面天线来说,也就是与口径的平方成正比。射电望远镜的角分辨率与波长成正比、与天线口径成反比。显然,在一定观测波长下,角分辨率要求越高,射电望远镜的口径就需要越大。由于射电信号非常微弱,为了观测更弱更远的射电源,并分辨射电源的细节,尽可能的提高射电望远镜的口径一直是天文学家孜孜不倦的追求。

  最早雷伯射电望远镜口径才不到10 m,而今世界最大的单口径射电望远镜——贵州FAST口径达到了500 m。1957年英国曼彻斯特的建造了当时最大口径的Lovell 76m全可动抛物面射电望远镜[3]。20世纪60年代相继建成了美国国立射电天文台的42.7m射电望远镜[4],加拿大的46m射电望远镜[5]。1961年澳大利亚建成南半球口径最大的Parkes 64m射电望远镜[6];同一时期建成的还有美国国立射电天文台的91m射电望远镜[7],以及位于美国的Arecibo 305m固定式球面射电望远镜[8](图5)。1972年德国马普实验室建成了当时世界最大的全可动射电望远镜Effelsberg 100m[9]。2000年美国国家射电天文台(NRAO)在西弗吉尼亚州建成了目前世界最大的全天可动射电望远镜GBT(Green Bank Telescope)[10],主面尺寸为100m×110m。图7列出了国外一些主要的大型射电望远镜。

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  (a)1957年建设的英国Lovell 76m射电望远镜

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  (b)1960年建设的澳大利亚Parkes 64m射电望远镜

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  (c)1971年建设的德国Effelsberg 100m射电望远镜

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  (d)1982年建设的日本Nobeyama 45m射电望远镜

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  (e)2000年建设的美国Green Bank 110m×100m射电望远镜

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  (f)2010年建设的墨西哥Large Millimeter 50m射电望远镜

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  (g)2012年建设的意大利Sardinia 64m射电望远镜

  图7 国外主要大型射电望远镜

  20世纪八、九十年代,我国建成了上海佘山25m[11]和新疆南山25m[12]口径射电望远镜,其中南山25m于2015年改造为26m射电望远镜。随着我国射电天文学的发展和探月工程的启动,2006年建成了北京密云50m和云南昆明40m射电望远镜[13]。2012年上海天马65m、佳木斯66m和喀什35m射电望远镜建成使用[14],2014年建成了洛南40m脉冲星观测射电望远镜,于2016年9月建成的贵州500m口径射电望远镜是目前国际上最大的单口径望远镜[15],2017年完成了密云40m射电望远镜的研制。

  我国正在建设和准备建设的大型射电望远镜主要有,正在建设的用于首次火星探测任务以及后续深空探测任务的武清站70m天线,建成后将是亚洲最大口径的全可动射电望远镜;正计划建设的新疆奇台站110m和云南景东120m射电望远镜,建成后将是世界最大口径的全可动射电望远镜。图8列出了国内一些主要的大型射电望远镜。

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  (a)1987年建设的佘山中国25m射电望远镜

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  (b)2006年建设的中国密云50m射电望远镜

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  (c)2006年建设的中国昆明40m射电望远镜

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  (d)2012年建设的中国天马65m射电望远镜

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  (e)2014年建设的中国洛南40m射电望远镜

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  (f)2015年建设的中国南山26m(改造后)射电望远镜

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  (g)2016年建设的中国FAST 500m射电望远镜

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  (h)2017年建设的中国密云40m射电望远镜

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  (i)建设中的中国武清70m射电望远镜效果图

  图8 国内主要大型射电望远镜

  除了前面讲述的这些, 射电望远镜还有非常多的知识等待大家去了解,下一篇我们将为大家介绍综合孔径射电望远镜,以及射电望远镜在深空探测中的应用,不见不散哦~

  未完待续......

  主要参考文献

  [1] Karl Jansky[EB/OL]. [2019-12-13]. https://www.nrao.edu/whatisra/hist_ jansky.shtml.

  [2] Reber Radio Telescope - Wikipedia[EB/OL]. [2019-12-13]. https://en.wikipedia.org/wiki/Reber_Radio_Telescope.

  [3] Morison I. 50 years of the Lovell telescope[J]. Astronomy and Geophysics, 2007, 48(5):23-25.

  [4] 43 Meter (140 Foot) Telescope - Science Website[EB/OL]. [2019-12-13]. https://science.nrao.edu/facilities/gbt/other-telescopes/43meter.

  [5] Algonquin 46m radio telescope - Wikipedia[EB/OL]. [2019-12-13]. https://en.wikipedia.org/wiki/Algonquin_46m_radio_telescope.

  [6] Bowen E G, Minnett H C. The Australian 210-ft radio telescope[J]. Journal of theBritish Institution of Radio Engineers, 1962, 23(1):49-53.

  [7] 300-foot Telescope - National Radio Astronomy Observatory[EB/OL]. [2019-12-13]. https://public.nrao.edu/telescopes/300-foot-telescope/.

  [8] Goldsmith P F. The second Arecibo upgrade[J]. IEEE Potentials, 1996, 15(3):38-43.

  [9] Wielebinski R, Junkes N, Grahl H. The Effelsberg 100m radio telescope: Construction and forty years of radio astronomy[J]. Journal of AstronomicalHistory and Heritage, 2011, 14(1):3-21.

  [10] Hall R, Goldman A, Parker H, et al. Measurement program for the Green BankTelescope[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for OpticalEngineering, 1998, 335(7):265-276.

  [11] 李金岭, 乔书波, 刘鹂. 坐标变换方法用于佘山25m射电天线归心测量的资料解析[J]. 测绘科学, 2010, 35(02):69-71.

  [12] 张阿丽, 熊福文, 朱文耀. 新疆天文台25m VLBI、GPS归心测量[J]. 大地测量与地球动力学, 2015, 35(04):680-683+688.

  [13] 张洪波, 毛佩锋, 汪敏, 等. 40m口径射电望远镜[J].天文研究与技术, 2008(02):187-191.

  [14] 王锦清,左秀婷,Kesteven M,等. TM 65 m射电望远镜面形微波全息测量[J]. 中国科学:物理学 力学 天文学,2017,47(9):92-102.

  [15] 南仁东, 姜鹏. 500 m口径球面射电望远镜(FAST)[J]. 机械工程学报, 2017, 53(17):1-3.

  作者简介

  孔德庆,中国科学院国家天文台研究员,研究方向为大型射电望远镜、天线组阵技术。

  汪赞,中国科学院国家天文台联合培养硕士研究生,研究方向为大型射电望远镜面形精度测量。

[ 责编:蔡琳 ]
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