射電望遠鏡

射電望遠鏡

射電望遠鏡(radio telescope)是指觀測和研究來自天體射電波的基本設備,可以測量天體射電的強度、頻譜偏振等量。包括收集射電波的定向天線,放大射電信號的高靈敏度接收機,信息記錄﹑處理和顯示系統等。2012年10月28日,亞洲最大的全方位可轉動射電望遠鏡在上海天文台正式落成。這台射電望遠鏡的綜合性能排名亞洲第一、世界第四,能夠觀測100多億光年以外的天體,將參與我國探月工程及各項深空探測

  • 中文名稱
    射電望遠鏡
  • 外文名稱
    radio telescope
  • 作用
    觀測、信息記錄、處理
  • 放大容量
    λ/16~λ/10
  • 最弱電平
    10 ─20瓦
  • 物理判斷
    尺寸D 、波長λ

基本原理

經典射電望遠鏡的基本原理是和光學反射望遠鏡相似,投射來的電磁波被一精確鏡面反射後,同相到達公共焦點。用旋轉拋物面作鏡面易于實現同相聚焦,因此,射電望遠鏡天線大多是拋物面。射電望遠鏡表面和一理想拋物面的均方誤差如不大于λ/16~λ/10,該望遠鏡一般就能在波長大于λ的射電波段上有效地工作。對米波或長分米波觀測,可以用金屬網作鏡面;而對釐米波和毫米波觀測,則需用光滑精確的金屬板(或鍍膜)作鏡面。從天體投射來並匯集到望遠鏡焦點的射電波,必須達到一定的功率電平,才能為接收機所檢測。目前的檢測技術水準要求最弱的電平一般應達 10 ─20瓦。射頻信號功率首先在焦點處放大10~1﹐000倍﹐並變換成較低頻率(中頻),然後用電纜將其傳送至控製室,在那裏再進一步放大﹑檢波,最後以適于特定研究的方式進行記錄﹑處理和顯示。

射電望遠鏡

天線收集天體的射電輻射,接收機將這些信號加工、轉化成可供記錄、顯示的形式,終端設備把信號記錄下來,並按特定的要求進行某些處理然後顯示出來。表征射電望遠鏡性能的基本指標是空間解析度和靈敏度,前者反映區分兩個天球上彼此靠近的射電點源的能力,後者反映探測微弱射電源的能力。射電望遠鏡通常要求具有高空間解析度和高靈敏度。

射電望遠鏡是主要接收天體射電波段輻射的望遠鏡。射電望遠鏡的外形差別很大,有固定在地面的單一口徑的球面射電望遠鏡,有能夠全方位轉動的類似衛星接收天線的射電望遠鏡,有射電望遠鏡陣列,還有金屬桿製成的射電望遠鏡。

1931年,美國貝爾實驗室的央斯基用天線陣接收到了來自銀河系中心的無線電波。隨後美國人格羅特·雷伯在自家的後院建造了一架口徑9.5米的天線,並在1939年接收到了來自銀河系中心的無線電波,並且根據觀測結果繪製了第一張射電天圖。射電天文學從此誕生。雷伯使用的那架天線是世界上第一架專門用于天文觀測的射電望遠鏡。

20世紀60年代天文學取得了四項非常重要的發現:脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機分子,被稱為“四大發現”。這四項發現都與射電望遠鏡有關。

天文望遠鏡的極限解析度取決于望遠鏡的口徑和觀測所用的波長。口徑越大,波長越短,解析度越高。由于無線電波的波長要遠遠大于可見光的波長,因此射電望遠鏡的分辨本領遠遠低于相同口徑的光學望遠鏡,而射電望遠鏡的天線又不能無限做大。這在射電天文學誕生的初期嚴重阻礙了射電望遠鏡的發展。

1962年,英國劍橋大學卡文迪許實驗室的馬丁·賴爾(Ryle)利用幹涉的原理,發明了綜合孔徑射電望遠鏡,大大提高了射電望遠鏡的解析度。其基本原理是:用相隔兩地的兩架射電望遠鏡接收同一天體的無線電波,兩束波進行幹涉,其等效解析度最高可以等同于一架口徑相當于兩地之間距離的單口徑射電望遠鏡。賴爾因為此項發明獲得1974年諾貝爾物理學獎

目前射電天文學領域已經廣泛套用長基線的幹涉技術,將遍布全球的射電望遠鏡綜合起來,獲得了等效口徑相當于地球直徑量級的射電望遠鏡。美國建設了VLBA,歐洲建設了EVN,二者組成了國際VLBI網。

類型介紹

根據天線整體結構的不同,射電望遠鏡按設計要求可以分為連續和非連續孔徑射電望遠鏡兩大類。

連續孔徑

主要代表是採用單盤拋物面天線的經典式射電望遠鏡。

非連續

以幹涉技術為基礎的各種組合天線系統。20世紀60年代產生了兩種新型的非連續孔徑射電望遠鏡——甚長基線幹涉儀和綜合孔徑射電望遠鏡,前者具有極高的空間解析度,後者能獲得清晰的射電圖像。世界上最大的可跟蹤型經典式射電望遠鏡其拋物面天線直徑長達100米,安裝在德國馬克斯·普朗克射電天文研究所;世界上最大的非連續孔徑射電望遠鏡是甚大天線陣,安裝在美國國立射電天文台。

射電望遠鏡

為了觀測弱射電源的需要,射電望遠鏡必須有較大孔徑,並能對射電目標進行長時間的跟蹤或掃描。此外,還必須綜合考慮設備的造價和工藝上的現實性。

按機械裝置和驅動方式,連續孔徑射電望遠鏡(它通常又是非連續孔徑的基本單元)還可分為三種類型。

全可轉型或可跟蹤型

可在兩個坐標轉動,分為赤道式裝置和地平式裝置兩種,如同在可跟蹤拋物面射電望遠鏡中使用的。

部分可轉型

可在一坐標(赤緯方向)轉動,赤經方向靠地球自轉掃描,又稱中星儀式(見帶形射電望遠鏡)。

固定型

主要天線反射面固定,一般用移動饋源(又稱照明器)或改變饋源相位的方法。

射電望遠鏡

射電觀測在很寬的頻率範圍進行,檢測和信息處理的射電技術又遠較光學波段靈活多樣,所以射電望遠鏡種類繁多,還可以根據其他準則分類:諸如按接收天線的形狀可分為拋物面﹑拋物柱面﹑球面﹑拋物面截帶﹑喇叭﹑螺旋﹑行波﹑偶極天線等射電望遠鏡;按方向束形狀可分為鉛筆束﹑扇束﹑多束等射電望遠鏡;按工作類型可分為全功率﹑掃頻﹑快速成像等類射電望遠鏡;按觀測目的可分為測繪﹑定位﹑定標﹑偏振﹑頻譜﹑日象等射電望遠鏡。關于非連續孔徑射電望遠鏡,主要是各類射電幹涉儀。

基本指標

射電天文所研究的對象﹐有太陽那樣強的連續譜射電源﹐有輻射很強但極其遙遠因而角徑很小的類星體﹐有角徑和流量密度都很小的恆星﹐也有頻譜很窄﹑角徑很小的天體微波激射源等。為了檢測到所研究的射電源的信號﹐將它從鄰近背景源中分辨出來﹐並進而觀測其結構細節﹐射電望遠鏡必須有足夠的靈敏度和解析度

射電望遠鏡

靈敏度

靈敏度是指射電望遠鏡"最低可測"的能量值,這個值越低靈敏度越高。為提高靈敏度常用的辦法有降低接收機本身的固有噪聲,增大天線接收面積,延長觀測積分時間等。解析度是指區分兩個彼此靠近射電源的能力,解析度越高就能將越近的兩個射電源分開。那麽,怎樣提高射電望遠鏡的解析度呢?對單天線射電望遠鏡來說,天線的直徑越大解析度越高。但是天線的直徑難于作得很大,目前單天線的最大直徑小于300米,對于波長較長的射電波段解析度仍然很低。因此就提出了使用兩架射電望遠鏡構成的射電幹涉儀。對射電幹涉儀來說,兩個天線的最大間距越大解析度越高。另外,在天線的直徑或者兩天線的間距一定時,接收的無線電波長越短解析度越高。擁有高靈敏度。高解析度的射電望遠鏡,才能讓我們在射電波段"看"到更遠,更清晰的宇宙天體。

射電望遠鏡

解析度

解析度指的是區分兩個彼此靠近的相同點源的能力﹐因為兩個點源角距須大于天線方向圖的半功率波束寬度時方可分辨﹐故宜將射電望遠鏡的解析度規定為其主方向束的半功率寬。為電波的衍射所限﹐對簡單的射電望遠鏡﹐它由天線孔徑的物理尺寸D 和波長λ決定。

特點優勢

射電望遠鏡與光學望遠鏡不同,它既沒有高高豎起的望遠鏡鏡簡,也沒有物鏡,目鏡,它由天線和接收系統兩大部分組成。

巨大的天線是射電望遠鏡最顯著的標志,它的種類很多,有拋物面天線,球面天線,半波偶極子天線,螺旋天線等。最常用的是拋物面天線。天線對射電望遠鏡來說,就好比是它的眼睛,它的作用相當于光學望遠鏡中的物鏡。它要把微弱的宇宙無線電信號收集起來,然後通過一根特製的管子(波導)把收集到的信號傳送到接收機中去放大。接收系統的工作原理和普通收音機差不多,但它具有極高的靈敏度和穩定性。接收系統將信號放大,從噪音中分離出有用的信號,並傳給後端的電腦記錄下來。記錄的結果為許多彎曲的曲線,天文學家分析這些曲線,得到天體送來的各種宇宙信息。

簡史現狀

位于美國新墨西哥州的綜合孔徑射電望遠鏡甚大天線陣(VLA)。

1931年,在美國新澤西州的貝爾實驗室裏,負責專門搜尋和鑒別電話幹擾信號的美國人KG·楊斯基發現:有一種每隔23小時56分04秒出現最大值的無線電幹擾。經過仔細分析,他在1932年發表的文章中斷言:這是來自銀河系中射電輻射。由此,楊斯基開創了用射電波研究天體的新紀元。當時他使用的是長30.5米、高3.66米的旋轉天線陣,在14.6米波長取得了30度寬的 “扇形”方向束。此後,射電望遠鏡的歷史便是不斷提高解析度和靈敏度的歷史。自從楊斯基宣布接收到銀河系的射電信號後,美國人G·雷伯潛心試製射電望遠鏡,終于在1937年製造成功。這是一架在第二次世界大戰以前全世界獨一無二的拋物面型射電望遠鏡。它的拋物面天線直徑為9.45米,在1.87米波長取得了12度的 “鉛筆形”方向束,並測到了太陽以及其它一些天體發出的無線電波。因此,雷伯被稱為是拋物面型射電望遠鏡的首創者。

射電望遠鏡

1946年﹐英國曼徹斯特大學開始建造直徑66.5米的固定拋物面射電望遠鏡﹐1955年建成當時世界上最大的76米直徑的可轉拋物面射電望遠鏡。與此同時﹐澳﹑美﹑蘇﹑法﹑荷等國也競相建造大小不同和形式各異的早期射電望遠鏡。除了一些直徑在10米以下﹑主要用于觀測太陽的設備外﹐還出現了一些直徑20~30米的拋物面望遠鏡﹐發展了早期的射電幹涉儀和綜合孔徑射電望遠鏡。六十年代以來﹐相繼建成的有美國國立射電天文台的42.7米﹑加拿大的45.8米﹑澳大利亞的64米全可轉拋物面﹑美國的直徑 305米固定球面﹑工作于釐米和分米波段的射電望遠鏡(見固定球面射電望遠鏡)以及一批直徑10米左右的毫米波射電望遠鏡。因為可轉拋物面天線造價昂貴﹐固定或半固定孔徑形狀(包括拋物面﹑球面﹑拋物柱面﹑拋物面截帶)的天線的技術得到發展﹐從而建成了更多的幹涉儀和十字陣(見米爾斯十字)。

1962年 Ryle 發明了綜合孔徑射電望遠鏡並獲得了1974年諾貝爾物理學獎

射電天文技術最初的起步和發展得益于二戰後大批退役雷達的"軍轉民用"。射電望遠鏡和雷達的工作方式不同,雷達是先發射無線電波再接收物體反射的回波,射電望遠鏡隻是被動地接收天體發射的無線電波.。20世紀50、60年代,隨著射電技術的發展和提高,人們研究成功了射電幹涉儀,甚長基線幹涉儀,綜合孔徑望遠鏡等新型的射電望遠鏡射電幹涉技術使人們能更有效地從噪音中提取有用的信號;甚長基線幹涉儀通常是相距上千公裏的。幾台射電望遠鏡作幹涉儀方式的觀測,極大地提高了解析度。六十年代末至七十年代初﹐不僅建成了一批技術上成熟﹑有很高靈敏度和解析度的綜合孔徑射電望遠鏡﹐還發明了有極高解析度的甚長基線幹涉儀這種所謂現代射電望遠鏡。另一方面還在計算技術基礎上改進了經典射電望遠鏡天線的設計﹐建成直徑100米的大型精密可跟蹤拋物面射電望遠鏡(德意志聯邦共和國波恩附近。

射電望遠鏡

上世紀80年代以來,歐洲的VLBI網﹑美國的VLBA陣﹑日本的空間VLBI相繼投入使用,這是新一代射電望遠鏡的代表,它們的靈敏度﹑解析度和觀測波段上都大大超過了以往的望遠鏡。其中,美國的超常基線陣列(VLBA)由10個拋物天線組成,橫跨從夏威夷到聖科洛伊克斯8000千米的距離,其精度是哈勃太空望遠鏡的500倍,是人眼的60萬倍。它所達到的解析度相當讓一個人站在紐約看洛杉磯的報紙。

射電的解析度高于其它波段幾千倍,能更清晰地揭示射電天體的核心;綜合孔徑技術的研製成功使射電望遠鏡具備了方便的成像能力,綜合孔徑射電望遠鏡相當于工作在射電波段的照相機。

2016年2月17日,這架500米口徑球面射電望遠鏡今年將開始運轉,它是世界上最大的單口徑射電望遠鏡,投入使用後,研究人員將得以繼續探尋銀河系的生命。

在建項目

亞洲最大

2012年3月,65米口徑可轉動射電天文望遠鏡工程在上海佘山腳下緊張施工,這將是亞洲最大的該類型射電望遠鏡,整體性能在國際上處于第四位。據介紹,這台望遠鏡屬于中國科學院和上海市政府重大合作項目,預計于2012年下半年建成。

射電望遠鏡

全球最大

為了爭取國際最大規模的射電望遠鏡合作計畫來華,中國正在貴州省“築巢引鳳”,建設全球最大的射電望遠鏡。這是中國2007年批準立項的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)項目,日前已經在貴州省開始基建,項目總投資6.27億元,建設期5年半,預計2014年開光。FAST建成後,不僅將成為世界第一大單口徑天文望遠鏡,並將在未來20年至30年內保持世界領先地位。

中科院院士、原國際天文學聯合會副主席葉叔華表示,FAST最大的技術成就是解決了球面鏡隨時變拋面鏡這一難點,中國是世界上首個掌握該技術的國家。選擇貴州省,是因為要做一平方公裏大口徑的射電望遠鏡,估計要有30個望遠鏡拼在一起。中國貴州有很多巨大的山谷,足可以放這樣一個望遠鏡。

射電望遠鏡

科學家們自1994年提出項目建設規劃後,就苦苦搜尋、反復論證近10年,才確認大射電望遠鏡FAST探測基地落戶在貴州省平塘縣一片名為大窩凼的喀斯特窪地。“大窩凼不僅具有一個天然的窪地可以架設望遠鏡,而且喀斯特地質條件可以保障雨水向地下滲透,而不在表面淤積,腐蝕和損壞望遠鏡”,FAST工程辦公室副主任張海燕說。 這裏是喀斯特地貌所特有的一大片漏鬥天坑群——它就像一個天然的“巨碗”,剛好盛起望遠鏡如30個足球場面積大的巨型反射面,望遠鏡建成後,將會填滿這個山谷。

觀測不易受地面電磁幹擾

由于望遠鏡坐落于“大窩凼”凹坑內,所以非常適合觀測。另外,大射電望遠鏡的觀測雖然不受天氣陰晴影響,但在選址中對無線電環境要求很高。調頻電台、電視、手機以及其他無線電資料的傳輸都會對射電望遠鏡的觀測造成幹擾,就好像在交頭接耳的會議上無法聽清發言者講話一樣。大射電望遠鏡項目要求,台址半徑5公裏之內必須保持寧靜,電磁環境不受幹擾。

張海燕說,大窩凼附近沒有集鎮和工廠,在5公裏半徑之內沒有一個鄉鎮,25公裏半徑之內隻有一個縣城,是最為理想的選址。有了FAST,邊遠閉塞的喀斯特山區將變成世人矚目的國際天文學術中心,成為把貴州展現給世界的新視窗。

——重要功能——

探測遙遠的“地外文明

這座巨大的望遠鏡外形與衛星天線相似,單口徑500米,猶如一隻巨大的“天眼”,將探測遙遠、神秘的“地外文明”。千百年來人類大多是通過可見光波段觀測宇宙。事實上,天體的輻射覆蓋整個電磁波段,而可見光隻是其中人類可以感知的一部分。

該射電望遠鏡可以用來監聽外太空的宇宙射電波,其中包括可能來自其他智慧型生命的“人工電波”;在電力充足的條件下,這隻巨大的“天眼”還能傳送電波信號,幾萬光年遠的“外星朋友”將有可能收到來自中國的問候。

可尋找第一代誕生的天體

據FAST工程辦公室研究人員介紹,項目建成後,它將使中國的天文觀測能力延伸到宇宙邊緣,可以觀測暗物質暗能量,尋找第一代天體。

其能用一年時間發現數千顆脈沖星,研究極端狀態下的物質結構與物理規律。而且無需依賴模型精確測定黑洞質量就可以有希望發現奇異星和誇剋星物質;可以通過精確測定脈沖星到達時間來檢測引力波;還可能發現高紅移的巨脈澤星系,實現銀河系外第一個甲醇超脈澤的觀測突破。

用于太空天氣預報

FAST還將把中國空間測控能力由地球同步軌道延伸至太陽系外緣,將深空通訊資料下行速率提高100倍。脈沖星到達時間測量精度由目前的120納秒提高至30納秒,成為國際上最精確的脈沖星計時陣,為自主導航這一前瞻性研究製作脈沖星鍾。

同時,可以進行高解析度微波巡視,以1Hz的解析度診斷識別微弱的空間訊號,作為被動戰略雷達為國家安全服務。還可跟蹤探測日冕物質拋射事件,服務于太空天氣預報。

帶動中國製造技術發展

FAST研究涉及了眾多高科技領域,如天線製造、高精度定位與測量、高品質無線電接收機、感測器網路及智慧型信息處理、超寬頻信息傳輸、海量資料存儲與處理等。FAST關鍵技術成果可套用于諸多相關領域,如大尺度結構工程、公裏範圍高精度動態測量、大型工業機器人研製以及多波束雷達裝置等。FAST的建設經驗將對中國製造技術向信息化、極限化和綠色化的方向發展產生影響。

最新進展

高空航拍的施工現場高空航拍的施工現場

2015年12月16日,正在貴州省平塘縣建設的世界最大單口徑射電望遠鏡——500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)目前正在進行反射面面板安裝,邊長約11米的三角形面板安裝已經完成2059塊,完成比例達46%。FAST的反射面總面積約25萬平方米,用于反射無線電波、供饋源接收機接收,是FAST工程的主線,預計將于2016年4月安裝完畢。

觀測網路

中國、日本、韓國三國科學家正利用他們共同構建的世界最大射電望遠鏡陣,探測銀河系結構、超大質量黑洞等深空奧秘。

射電望遠鏡

三國天文學界在各自獨立開發的射電天體探測網基礎上,整合了東亞地區直徑約6000公裏範圍內19台射電天文望遠鏡,覆蓋了從日本小笠原、北海道至中國烏魯木齊昆明的廣闊地域,成為世界上最龐大的射電天文觀測網路。如果配合日本“月亮女神”繞月衛星上搭載的觀天設備,這個望遠鏡陣的直徑將會擴展到2.4萬公裏。

東亞甚長基線幹涉測量(VLBI)觀測計畫中方科學家、中國科學院上海天文台研究員沈志強31日說:“中國天文學家經過30多年努力建成的VLBI網,對國際上射電天文學的研究,做出了很大的貢獻。我們還成功地將VLBI技術用于中國首顆繞月衛星的測軌工作,已取得巨大成功。”

甚長基線幹涉測量是國際天文學界目前使用的一項高解析度、高測量精度的觀測技術,用于天體的精確定位和精細結構研究。一個完整的VLBI觀測系統通常由兩個以上射電望遠鏡觀測站和一個資料處理中心組成。中科院VLBI觀測系統目前由上海25米直徑、北京50米直徑、昆明40米直徑和烏魯木齊25米直徑等4台射電天文望遠鏡,以及上海資料處理中心組成。

沈志強說,各觀測站同時跟蹤觀測同一目標,並將觀測資料記錄或即時傳送到資料處理中心,電腦依靠這些觀測值計算得出目標天體的精確位置。

中國VLBI網三周前剛進行了一次遠程資料採集、海量存儲、資料處理實驗,利用高速網際網路將VLBI觀測資料,即時傳送到資料處理中心並進行即時相關處理,以取代傳統的VLBI資料郵寄方式。半個月前,包括上海和烏魯木齊兩個觀測站在內的世界17個射電望遠鏡觀測站進行的即時接力觀測演示,也獲得成功。

東亞VLBI觀測網的主要工作將是完善日本射電天體探測計畫正在繪製的銀河系圖。日大學部學家相信,由12台望遠鏡組成的日本射電天體觀測網,加上中國的4台望遠鏡以及韓國剛建成的3台21米口徑望遠鏡,恆星定位的精度將成倍提高。

“這一獨特的工作將幫助我們獲得關于星系結構的優質資料。”日本國立天文台電波天文學教授小林秀行在接受新華社記者採訪時說。

韓國和日大學部學家正在開發一種特製的電腦,用于整合海量的觀測資料,這套計算設備,計畫于明年底在韓國首爾投入使用。科學家預計,東亞VLBI觀測計畫將于2010年全面展開。

自400年前義大利人伽利略首次用望遠鏡觀測星空,人類通常靠光學設備進行天文學研究。人們後來發現,天體除了發出可見光,還發出電磁波。1932年,美國貝爾實驗室工程師卡爾·央斯基偶然發現了來自銀河系中心的電波,射電天文學從此發端。碟狀天線一般的射電天文望遠鏡,通過接收天體無線電波或主動發射電波並接收回波,確定遙遠天體的形狀的結構。

主要代表

當代先進射電望遠鏡有:以德意志聯邦共和國 100米望遠鏡為代表的大﹑中型釐米波可跟蹤拋物面射電望遠鏡;以美國國立射電天文台﹑瑞典翁薩拉天文台和日本東京天文台的設備為代表的毫米波射電望遠鏡;以即將完成的美國甚大天線陣。貴州平塘的射電望遠鏡FAST是現在世界上最大口徑的射電望遠鏡。

未來展望

把造價和效能結合起來考慮,今後直徑100米那樣的大射電望遠鏡大概隻能有少量增加,而單個中等孔徑釐米波射電望遠鏡的用途越來越少。主要單拋物面天線將更普遍地並入或擴大為甚長基線﹑連線幹涉儀和綜合孔徑系統工作。隨著設計﹑工藝和校準技術的改進﹐將會有更多﹑更精密的毫米波望遠鏡出現。綜合孔徑望遠鏡會得到發展以期獲得更大的空間﹑時間和頻率覆蓋。甚長基線幹涉系統除了增加數量外,預期最終將能利用定點衛星實現即時資料處理,把綜合孔徑技術同甚長基線獨立本振幹涉儀技術結合起來的甚長基線幹涉儀網和幹涉儀陣的試驗,很可能孕育出新一代的射電望遠鏡。    

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