部分著名射电望远镜简介

作者|刘少华

审核|周玖

编辑|贺柏翔

射电天文学是天文学中的一个重要研究领域,是区别于其他电磁辐射波段的独特方法和天文学内容。射电天文学的发展为天文学开辟了全新的观测视野和研究领域。在射电天文学的发展中,宇宙微波背景辐射的发现、功率谱探测、脉冲星探测以及综合孔径技术的应用等重大成就都先后获得诺贝尔物理学奖。射电天文学提供了对宇宙多样性更为丰富的了解,射电望远镜能够探测到更遥远的天体,对宇宙对象细致结构也有了深刻了解。射电天文在过去80年间的空间分辨本领提高了9个数量级之多,80年间的灵敏度提高100万倍,分辨率和灵敏度还将继续提高,让我们拭目以待,期待更多的发现。
盘状式射电望远镜
盘状式射电望远镜具有抛物面的盘状结构,形象的可以看做一口“大锅”,正是这一个一个的“大锅”得以让射电天文学快速发展,其中可移动的盘状式射电望远镜可以操控瞄准天空的任意方向,可以研究较大的区域的天空。
国内部分盘状式射电望远镜简介:

500米口径球面射电望远镜(FAST)

FAST(图片来源于网络)
国家重器FAST落成启用于2016年9月25日,“FAST”翻译过来就是“快的”。那FAST有什么特点呢?FAST突破了射电望远镜的百米极限,开创了建造巨型射电望远镜的新模式。FAST是目前国际上第二大的单口径射电望远镜,仅次于俄罗斯的RATAN-600环形射电望远镜(直径576米),同时也是目前世界最大的单口径球面射电望远镜,与号称“地面最大机器”的德国波恩100m射电望远镜相比,灵敏度提高约10倍;与排在阿波罗登月前面、被评为人类20世纪十大工程之首的阿雷西博305m射电望远镜相比,它的可观测天空范围扩大4倍,灵敏度提高2.3倍,综合性能提高约10倍。

FAST的建设是我国一批又一批科研人员的心血,采用了多项自主创新技术突破了大型射电望远镜的极限。FAST的索网结构可以随着天体的移动变化,带动索网上的4450个反射单元,在射电源方向形成300m口径的瞬时抛物面,极大提升了观测效率。主动反射面让其拥有更广的观测范围,能覆盖40°的天顶角。同时FAST也能够参加国际甚长基线网,极大增加灵敏度和分辨率。作为世界最大的单口径球面射电望远镜,FAST拥有体型大、精度高、视野广三方面的优势,将在未来20~30年内保持世界一流设备的地位,被称为国家重器名不虚传,有望即将在2019年下半年完成验收并向全世界天文学家开放使用。

FAST侧重中性氢(HI)探测和脉冲星接收。能够将中性氢的观测延伸到宇宙初始阶段,为探索宇宙起源和演化、研究宇宙大尺度物理学提供资料;能够在短时间内发现大量脉冲星并建立脉冲星计时系统,研究极端状态下的物质结构与物理规律等众多科学任务,截至2019年8月底,FAST已发现134颗优质的脉冲星候选体,其中有93颗已被确认为新发现的脉冲星。

FAST发现的首颗脉冲星(图片来源于中国科学院)
FAST的另一个目标是探测遥远的 “地外文明”,帮助人类监听外太空的宇宙射电波,其中可能就有来自其他智慧生命的“人工电波”。在电力充足的条件下,这只巨大的“天眼”还能发送射电波信号,几万光年外的“外星朋友”将有可能收到来自中国的问候,想想就很期待呢。
天马望远镜
天马望远镜(图片来源于中国科学院上海天文台)
天马望远镜(上海65米射电望远镜)为中国科学院和上海市的重大合作项目,坐落于上海松江佘山,是一个国内领先、亚洲最大、国际先进、总体性能在国际上名列前4名的65米口径全方位可动的大型射电天文望远镜系统。

天马望远镜在天文及航天领域中有众多基础科学研究及应用,今后一段期将发挥其在国家重大需求和天文研究中的作用,对未来10年的射电天文带来新的观测能力。天马望远镜作为国际甚长基线网的主干设备,显著提高了甚长基线网的灵敏度。不仅如此,它还可以在1.8GHz以上频带成为国际天体物理研究名列前茅的射电望远镜,与FAST的观测波段互相补充。

奇台望远镜(QTT)
偏心率与圆锥曲线(图片来源于网络)
新疆奇台110米口径全向可动射电望远镜建设在新疆奇台县,计划在2023年12月完成主体工程建设任务,建成后将成为中国唯一一架大型通用射电望远镜,成为世界最大口径全向可动射电望远镜,成为中国和国际天文学界独一无二的天文观测设备,是我国射电天文学前沿突破的基础支撑和必要条件,对我国现代天文学进入世界领先地位有重大作用。

将作为独立单元,QTT将为引力波、黑洞、暗物质等前天文学沿领域搭建世界级观测平台;作为中国和国际甚长基线网的重要成员,将显著提高观测网的高灵敏度观测能力。

国外部分盘状式射电望远镜简介:

绿岸望远镜(GBT)

GBT(图像来源于维基百科)
全名为”罗伯特·C·伯德绿岸望远镜”,为目前世界最大的全向可动射电望远镜,位于美国无线电静默区的核心地带——西弗吉尼亚州绿岸山区。

目前GBT是世界最大的陆基可移动结构,高度大约有43层楼高,重7700吨,其碟形天线大小110m×100m,由2000多块小型反射板组成,真是个“大块头”。

GBT的部分科学实力在于它的易用性灵活性,能迅速作出反应。GBT易于重新配置新的和实验性的硬件。它被灵活调度,以使项目需求与合适的天气匹配。GBT用于众多科学研究,也用于教育项目和公众宣传,以及培训学生和教师。

阿雷西博射电望远镜
阿雷西博射电望远镜(图片来源于网络)
阿雷西博射电望远镜由史丹佛国际研究中心、美国国家科学基金会与康奈尔大学管理,是世界上第二大的单口径球面射电望远镜,于1963年建成启用,球面天线直径305米,位于美国波多黎各的阿雷西博。它用于三大研究领域:射电天文学、大气科学和雷达天文学。

提到阿雷西博射电望远镜不得不提著名的“阿雷西博信息”。1974年为庆祝改造完成,阿雷西博望远镜向距离地球25000光年的武仙座球状星团M13发送了一串由1679个二进制数字组成的信号,称为“阿雷西博信息”。向球状星团发送信息的原因是其中的恒星分布比较密集,被地外智慧生命接收的可能性较大。

阿雷西博信息(图片来源于网络)
波恩射电望远镜
波恩射电望远镜(图片来源于维基百科)
德国波恩射电望远镜于1968年开始建造,1972年8月1日启用。其抛物面天线略小于绿岸望远镜,直径100米,它被安装在德国波恩市西南大约40公里的埃费尔斯贝格的一个山谷中,属麦克斯威尔·普朗克射电天文研究所。
干涉阵式射电望远镜
通俗的讲就是射电干涉仪,以高分辨率与高灵敏度为目标。通常为一组射电天线阵,排列方式有十字型、圆形、半圆形等。其实就是把一个一个的“小锅”虚拟地连接在一起,构成一个虚拟“大锅”以提高望远镜的分辨率,前不久的“人类首张黑洞影像”利用就是这个技术。
组成事件视界望远镜的射电望远镜(阵)(图片来源于网络)
国内部分干涉阵式射电望远镜简介:

21厘米低频射电阵列(21CMA)

21CMA(图片来源于中国科学院国家天文台)
21CMA位于新疆天山,别称是“宇宙第一缕曙光”探测项目,以期揭示宇宙从黑暗走向光明的历史。宇宙中第一代天体形成于“黑暗时代”,探寻这一时段宇宙的奥秘是所有天文学家梦寐以求的事。“宇宙第一缕曙光”探测项目为中国天文学家揭开谜底提供了机会。

在2006年探测项目建成后,中国天文学家就可利用布设在新疆乌拉斯台山谷中的一万根天线,收集“黑暗时代”氢元素的特殊辐射信号,看到宇宙中第一批恒星发出的光芒,也就是宇宙的“第一缕曙光”。21CMA是中国唯一的SKA低频探路者设备,也是世界最早建成的用于搜寻宇宙第一缕曙光的大型射电望远镜阵列。

新一代厘米-分米波射电日像仪(CSRH)
CSRH(图片来源于中国科学院国家天文台明安图观测基地)
2013年底竣工的新一代厘米-分米波射电日像仪是太阳专用射电望远镜阵列,位于内蒙古锡林郭勒盟正镶白旗明安图镇。它的排列方式呈螺旋形,低频阵和高频阵相互叠加。低频阵天线共有40个,直径稍大,单天线直径4.5米,工作在0.4-2GHz;高频阵天线共有60个,单天线直径2米,工作在2-15GHz。

CSRH的科学目标包括观测日冕瞬变现象、高能粒子流、日冕磁场和太阳大气结构,确定耀斑与日冕物质抛射的源区特性,从而了解太阳动态过渡区和日冕的性质。

国外部分干涉阵式射电望远镜简介:

平方千米阵(SKA)

SKA效果图(图片来源于SKA)
平方千米阵是一个全球性项目,是计划中的下一代巨型射电望远镜阵列,其目的是回答有关宇宙起源和演化的基本问题。总部位于英国,其主要设施将在南非和澳大利亚建设。SKA由2500个15米口径天线组成的高频阵、250个致密孔径阵列、130万个偶极天线组成,最长基线可达3000千米,有效接收面积可以达到大约1平方千米,工作在50MHz–13GHz。预期2020年开工,首次观测不早于2027年。
央斯基甚大天线阵(VLA)
VLA(图片来源于维基百科)
央斯基甚大天线阵位于美国新墨西哥州的圣阿古斯丁平原上。1980年10月10日建设完成,目前是世界上功能最强大的干涉望远镜。VLA由27个25米口径的天线组成射电望远镜阵列,每个天线重230吨,架设在铁轨上,可以移动,有3种组合模式,最长基线可达36千米,Y型排列时,每臂长可达到2.1千米。

VLA有着多种用途,设计用于观测各种天体。1989年,VLA曾用来接收旅行者2号飞过海王星时的无线通信信息。VLA是天文学家们的利器,自从VLA建成以来,“整个星空一下子变得清晰了”。

阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)
ALMA(图片来源于ALMA)
阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列是多个国家的研究机构在智利北部合作建造的大型射电望远镜阵列。ALMA位于智利北部查南托高原的拉诺德查南托天文台,地处安第斯山脉5000多米海拔的山顶之上,是地球上气候最干燥的地区之一,非常适合毫米波和亚毫米波观测。

ALMA由66面高分辨率天线组成,包括主阵列上的50个12米天线,以及另外两阵列上的4个12米天线和12个7米天线,最长基线可达16千米,拥有4毫角秒的分辨率

ALMA主要用于探究宇宙起源、了解星系演化、观测恒星与行星形成的机制及探索生命与太阳系的起源。

印度巨型米波射电望远镜阵(GMRT)
GMRT(图片来源于SKA)
巨米波射电望远镜阵位于印度德干高原,于1994年建成。GMRT是当今米波波段灵敏度最高的综合孔径射电望远镜,既可观测北天天体,又可观测南天天体,只有少数极区天体观测不到,而且电磁干扰很小,非常适宜米波观测。

GMRT由30台口径45米的抛物面天线组成,呈Y字形排列。16台天线沿三个臂长方向排列,每臂长25千米,另14台集中在中心区1千米范围内。这是目前亚洲最大的射电望远镜阵。印度科学家利用其很少的有利条件,建成了如此规模的射电望远镜阵不得不让人佩服。

GMRT主要科学目标是研究星系形成、研究脉冲星、银河系与河外星系射电源、太阳物理等。

看了这么多射电望远镜的介绍,有没有感觉到人类智慧的伟大呢,一个个巨无霸屹立在世界的各个角落,探索着宇宙奥秘,带来一次又一次重大发现。人类在探索宇宙的道路上永无止境,这是因为探索精神已经早已存在于我们的基因之中,我们的征途是星辰大海!
参考资料:

1、中国科学院,中国学科发展战略.天文学,科学出版社,2013年2月

2、C.弗拉马里翁著,李珩译,大众天文学,北京大学出版社,2016年1月

3、巩晓阳,宇宙之美:物理学新探索,电子工业出版社,2018年5月

4、FAST,360百科,https://baike.so.com/doc/10040692-10552402.html

5、国家自然科学基金委员会,中国科学院,未来10年中国学科发展战略·天文学,科学出版社,2012年2月

6、110米大口径全可动射电望远镜,百度百科,https://baike.baidu.com/item/110%E7%B1%B3%E5%A4%A7%E5%8F%A3%E5%BE%84%E5%85%A8%E5%8F%AF%E5%8A%A8%E5%B0%84%E7%94%B5%E6%9C%9B%E8%BF%9C%E9%95%9C/18263815?fr=aladdin

7、罗伯特·C·伯德绿岸望远镜,360百科,https://baike.so.com/doc/782636-828065.html

8、阿雷西博天文台,百度百科,https://baike.baidu.com/item/%E9%98%BF%E9%9B%B7%E8%A5%BF%E5%8D%9A%E5%A4%A9%E6%96%87%E5%8F%B0/8349038?fromtitle=%E9%98%BF%E9%9B%B7%E8%A5%BF%E5%8D%9A%E5%B0%84%E7%94%B5%E6%9C%9B%E8%BF%9C%E9%95%9C&fromid=5964069&fr=aladdin

9、21CMA项目,百度百科https://baike.baidu.com/item/21CMA%E9%A1%B9%E7%9B%AE/8883216?fr=aladdin

10、甚大天线阵,百度百科,https://baike.baidu.com/item/%E7%94%9A%E5%A4%A7%E5%A4%A9%E7%BA%BF%E9%98%B5/5894596?fromtitle=VLA&fromid=23270671&fr=aladdin

11、阿塔卡马大型毫米波天线阵,中文百科在线,http://www.zwbk.org/MyLemmaShow.aspx?lid=166908

12、ALMA,360百科,https://baike.so.com/doc/5581528-5794417.html

13、巨米波射电望远镜,百度百科,https://baike.baidu.com/item/%E5%B7%A8%E7%B1%B3%E6%B3%A2%E5%B0%84%E7%94%B5%E6%9C%9B%E8%BF%9C%E9%95%9C/15610902

14、中国厘米分米波频谱日像仪,维基百科,https://zh.m.wikipedia.org/zh-hans/%E4%B8%AD%E5%9B%BD%E5%8E%98%E7%B1%B3%E5%88%86%E7%B1%B3%E6%B3%A2%E9%A2%91%E8%B0%B1%E6%97%A5%E5%83%8F%E4%BB%AA

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