探測宇宙深空的天眼*
——射電望遠(yuǎn)鏡

張 嵐

(寧夏民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院 寧夏 吳忠 751100)

知識介紹

探測宇宙深空的天眼*
——射電望遠(yuǎn)鏡

張 嵐

(寧夏民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院 寧夏 吳忠 751100)

2016年9月25日，由中國科學(xué)院國家天文臺主持建設(shè)、有著超級“天眼”之稱的500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)，在貴州省平塘縣的喀斯特洼坑中落成，如圖1所示，開始接收來自宇宙深處的電磁波．這是目前世界上口徑最大的單天線射電望遠(yuǎn)鏡．為了更好地了解FAST，讓我們一起來認(rèn)識射電望遠(yuǎn)鏡．

圖1 射電望遠(yuǎn)鏡FAST

1 射電望遠(yuǎn)鏡的誕生

1609年，意大利物理學(xué)家伽利略制作了第一架天文望遠(yuǎn)鏡，利用這架光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，伽利略觀測到了月球環(huán)形山、木星的衛(wèi)星、太陽黑子等，這一系列重大發(fā)現(xiàn)，打開了人類認(rèn)識和探索宇宙的窗口．之后，天文學(xué)家對光學(xué)望遠(yuǎn)鏡不斷研制改進(jìn)，經(jīng)歷了折射望遠(yuǎn)鏡、反射望遠(yuǎn)鏡、折反望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)制造競相發(fā)展，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的口徑越來越大，集光、探測能力也越來越強(qiáng)．到1990年，美國把哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到太空，彌補(bǔ)了地面光學(xué)觀測的不足，使人類更清楚地探測到了宇宙深空的面貌．

但是，可見光只是天體電磁輻射中極小的一部分，利用可見光對太空進(jìn)行探索只是從一個(gè)極小的窗口去窺視無邊的宇宙．能否從更大窗口去探測浩瀚神秘的宇宙呢？射電望遠(yuǎn)鏡的誕生為人類打開了這扇天窗．

1865年，英國物理學(xué)家麥克斯韋建立了電磁理論，斷定可見光只是電磁波中很小的一部分．1888年，德國物理學(xué)家赫茲實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電磁波的存在，證實(shí)了麥克斯韋的理論．1931—1932年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室工程師央斯基用天線陣接收到了來自銀河系中心方向的射電噪聲，從而揭開了用射電波研究天體的序幕．央斯基的發(fā)現(xiàn)引起了美國無線電工程師雷伯的興趣，1937年，雷伯在自家院子里建造了一架拋物面天線直徑9.45 m，工作波長1.87 m，能接收宇宙射電的望遠(yuǎn)鏡——第一架用于天文觀測的射電望遠(yuǎn)鏡誕生了！1940年，雷伯的射電望遠(yuǎn)鏡也探測到了來自銀河系中心方向的射電波，證實(shí)了央斯基的發(fā)現(xiàn)．1943年，雷伯用射電望遠(yuǎn)鏡觀測到了太陽射電，他在1944年的一篇論文中首先發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)，并在這篇論文中用1.87 m波長繪出了第一幅射電天圖．央斯基和雷伯的開創(chuàng)性工作，開啟了人類利用射電窗口研究宇宙天體的新紀(jì)元．

2 射電望遠(yuǎn)鏡的原理

射電望遠(yuǎn)鏡是觀測和研究來自天體的射電波的基本設(shè)備，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(jī)，信息記錄、處理和顯示系統(tǒng)等[1]．經(jīng)典射電望遠(yuǎn)鏡的原理和光學(xué)反射望遠(yuǎn)鏡相似．雷伯的射電望遠(yuǎn)鏡就是經(jīng)典射電望遠(yuǎn)鏡的鼻祖，它的天線為旋轉(zhuǎn)拋物面，來自天體的射電波經(jīng)拋物面反射后聚焦在焦點(diǎn)上，由安裝在焦點(diǎn)上的無線電波收集裝置“照明器”收集，經(jīng)饋電線與接收機(jī)相聯(lián)接，接收機(jī)將訊號放大、檢波，在輸出端用儀表記錄下來[2]．

射電望遠(yuǎn)鏡的性能主要取決于靈敏度和分辨率，天線口徑越大，靈敏度和分辨率越高．射電望遠(yuǎn)鏡的靈敏度反映了其探測微弱射電源的能力，而分辨率則反映了射電望遠(yuǎn)鏡區(qū)分兩個(gè)彼此靠近的射電點(diǎn)源的能力．射電望遠(yuǎn)鏡必須有足夠的靈敏度和分辨率，在觀測中才能檢測到所研究射電源的信號，將它從鄰近的背景源中分辨出來，進(jìn)而觀測其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)．射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展歷史，就是不斷提高靈敏度和分辨率的歷史．

3 射電望遠(yuǎn)鏡的分類

根據(jù)接收天體射電的天線孔徑的構(gòu)成方式不同，射電望遠(yuǎn)鏡可以分為連續(xù)孔徑和非連續(xù)孔徑射電望遠(yuǎn)鏡兩大類．

連續(xù)孔徑射電望遠(yuǎn)鏡是射電望遠(yuǎn)鏡的一種最簡單的類型，它的靈敏度和分辨率由天線孔徑的實(shí)際尺寸和形狀決定．這類望遠(yuǎn)鏡的天線孔徑可以有各種形狀，如通常的拋物面﹑球面﹑拋物柱面﹑拋物帶形反射面等[1]．最具代表性的是采用單拋物面天線的經(jīng)典式射電望遠(yuǎn)鏡．連續(xù)孔徑射電望遠(yuǎn)鏡還可分為全可轉(zhuǎn)型或可跟蹤型、部分可轉(zhuǎn)型、固定型3種類型．目前，世界上有兩架口徑百米級的可跟蹤型射電望遠(yuǎn)鏡，一架是安裝在德國馬克斯·普朗克射電天文研究所的經(jīng)典式拋物面射電望遠(yuǎn)鏡，其拋物面天線直徑達(dá)100 m；另一架是美國國家射電天文臺在西弗吉尼亞州建造的全方位可轉(zhuǎn)動單天線射電望遠(yuǎn)鏡——綠岸射電望遠(yuǎn)鏡，其碟形天線尺寸為100 m×110 m．我國上海佘山的65 m口徑射電望遠(yuǎn)鏡，是亞洲最大的全方位可轉(zhuǎn)動射電望遠(yuǎn)鏡．美國阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡是目前世界上第二大單天線射電望遠(yuǎn)鏡，位于波多黎各的阿雷西博，直徑305 m，它是固定球面射電望遠(yuǎn)鏡，不能轉(zhuǎn)動，只能通過改變天線饋源(照明器)的位置，在天空中的一個(gè)帶狀區(qū)域掃描或跟蹤．

非連續(xù)孔徑射電望遠(yuǎn)鏡主要是各類射電干涉儀，是以干涉技術(shù)為基礎(chǔ)的各種組合天線系統(tǒng)，通常由多個(gè)天線組成．這種望遠(yuǎn)鏡的分辨率由天線范圍的外尺寸決定，而總的靈敏度則取決于全部天線單元面積的總和[1]．20世紀(jì)40年代末，英國天文學(xué)家賴爾首創(chuàng)了雙天線射電干涉儀，其基本原理是：用相隔兩地的兩架性能相同的天線接收同一天體的無線電波，兩束波進(jìn)行干涉，其等效分辨率相當(dāng)于一架口徑為兩天線間距離的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，這就為提高射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率開拓了廣闊的前景．1952年賴爾提出“孔徑綜合”的概念和技術(shù)，解決射電望遠(yuǎn)鏡的高分辨率和成像能力等難題，到60年代，英國劍橋大學(xué)建成了等效直徑為1.6 km的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡．綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明是射電天文技術(shù)的重要里程碑，賴爾因此獲得1974年諾貝爾物理學(xué)獎．在賴爾取得成功以后，綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)一步發(fā)展，其中最重要的是美國國家射電天文臺的甚大天線陣(VLA)．70年代初，天文學(xué)家又發(fā)明了有極高分辨率的甚長基線干涉儀(VLBI)．目前射電天文學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用長基線的干涉技術(shù)，將各國的射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合運(yùn)用，可以獲得等效口徑相當(dāng)于地球直徑量級的射電望遠(yuǎn)鏡，甚至突破地球大小的限制，發(fā)展空間VLBI技術(shù)．

4 全球最大的單天線射電望遠(yuǎn)鏡——“中國天眼”

坐落于貴州省平塘縣的“中國天眼”FAST的落成啟用，是我國在射電天文前沿的重大原創(chuàng)突破．“天眼”工程由我國天文學(xué)家于1994年提出構(gòu)想，從預(yù)研到建成歷時(shí)22年．望遠(yuǎn)鏡由主動反射面系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)、測量與控制系統(tǒng)、接收機(jī)與終端、以及觀測基地等幾大部分構(gòu)成．其主動反射面是由4 450個(gè)反射單元組成的口徑500 m球冠狀反射面,觀測時(shí)會通過主動控制在觀測方向形成300 m口徑瞬時(shí)拋物面以匯聚電磁波．FAST是目前世界上最大、最靈敏的單孔徑射電望遠(yuǎn)鏡．

FAST的建成具有重要的應(yīng)用價(jià)值．它能夠接收到137億光年以外的電磁信號，觀測范圍可達(dá)宇宙邊緣．在宇宙深空探測，尋找和研究脈沖星，觀測暗物質(zhì)和暗能量，進(jìn)行高分辨率微波巡視，揭秘宇宙的起源與演化，搜尋識別可能的星際通訊信號，尋找地外文明等領(lǐng)域，均可發(fā)揮重要作用．“天眼”運(yùn)行后，還將開展國際科研合作，作為最大的單孔徑射電望遠(yuǎn)鏡加入國際甚長基線網(wǎng)，我國在太空探索領(lǐng)域的國際影響將持續(xù)增強(qiáng)．

射電望遠(yuǎn)鏡誕生以來，推動了射電天文學(xué)的迅速發(fā)展，20世紀(jì)60年代取得了4項(xiàng)非常重要的發(fā)現(xiàn)，即脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射和星際有機(jī)分子，被稱為天文學(xué)“四大發(fā)現(xiàn)”．這4項(xiàng)發(fā)現(xiàn)都與射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展密切相關(guān)．全球最大單天線射電望遠(yuǎn)鏡“中國天眼”的建成，將幫助人類探索更遙遠(yuǎn)的未知宇宙，揭示和發(fā)現(xiàn)宇宙深空的奧秘．

1 中國大百科全書天文學(xué)編委會. 中國大百科全書(天文學(xué)). 北京：中國大百科全書出版社， 1980. 304，212

2 宣煥燦, 劉金沂. 揭開星光的奧秘——天文學(xué)探測方法. 北京：科學(xué)普及出版社， 1985. 115

*寧夏民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院2017年度院級科研項(xiàng)目“職業(yè)院校推進(jìn)科學(xué)素質(zhì)行動計(jì)劃的實(shí)踐探索與研究”，項(xiàng)目編號NMYK201706

2017-03-10)