探测宇宙深空的天眼*——射电望远镜

张 岚

(宁夏民族职业技术学院 宁夏 吴忠 751100)

知识介绍

探测宇宙深空的天眼*
——射电望远镜

张 岚

(宁夏民族职业技术学院 宁夏 吴忠 751100)

2016年9月25日，由中国科学院国家天文台主持建设、有着超级“天眼”之称的500 m口径球面射电望远镜FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)，在贵州省平塘县的喀斯特洼坑中落成，如图1所示，开始接收来自宇宙深处的电磁波．这是目前世界上口径最大的单天线射电望远镜．为了更好地了解FAST，让我们一起来认识射电望远镜．

图1 射电望远镜FAST

1 射电望远镜的诞生

1609年，意大利物理学家伽利略制作了第一架天文望远镜，利用这架光学望远镜，伽利略观测到了月球环形山、木星的卫星、太阳黑子等，这一系列重大发现，打开了人类认识和探索宇宙的窗口．之后，天文学家对光学望远镜不断研制改进，经历了折射望远镜、反射望远镜、折反望远镜的设计制造竞相发展，光学望远镜的口径越来越大，集光、探测能力也越来越强．到1990年，美国把哈勃空间望远镜发射到太空，弥补了地面光学观测的不足，使人类更清楚地探测到了宇宙深空的面貌．

但是，可见光只是天体电磁辐射中极小的一部分，利用可见光对太空进行探索只是从一个极小的窗口去窥视无边的宇宙．能否从更大窗口去探测浩瀚神秘的宇宙呢？射电望远镜的诞生为人类打开了这扇天窗．

1865年，英国物理学家麦克斯韦建立了电磁理论，断定可见光只是电磁波中很小的一部分．1888年，德国物理学家赫兹实验发现了电磁波的存在，证实了麦克斯韦的理论．1931—1932年，美国贝尔实验室工程师央斯基用天线阵接收到了来自银河系中心方向的射电噪声，从而揭开了用射电波研究天体的序幕．央斯基的发现引起了美国无线电工程师雷伯的兴趣，1937年，雷伯在自家院子里建造了一架抛物面天线直径9.45 m，工作波长1.87 m，能接收宇宙射电的望远镜——第一架用于天文观测的射电望远镜诞生了！1940年，雷伯的射电望远镜也探测到了来自银河系中心方向的射电波，证实了央斯基的发现．1943年，雷伯用射电望远镜观测到了太阳射电，他在1944年的一篇论文中首先发表了这一发现，并在这篇论文中用1.87 m波长绘出了第一幅射电天图．央斯基和雷伯的开创性工作，开启了人类利用射电窗口研究宇宙天体的新纪元．

2 射电望远镜的原理

射电望远镜是观测和研究来自天体的射电波的基本设备，包括收集射电波的定向天线，放大射电信号的高灵敏度接收机，信息记录、处理和显示系统等[1]．经典射电望远镜的原理和光学反射望远镜相似．雷伯的射电望远镜就是经典射电望远镜的鼻祖，它的天线为旋转抛物面，来自天体的射电波经抛物面反射后聚焦在焦点上，由安装在焦点上的无线电波收集装置“照明器”收集，经馈电线与接收机相联接，接收机将讯号放大、检波，在输出端用仪表记录下来[2]．

射电望远镜的性能主要取决于灵敏度和分辨率，天线口径越大，灵敏度和分辨率越高．射电望远镜的灵敏度反映了其探测微弱射电源的能力，而分辨率则反映了射电望远镜区分两个彼此靠近的射电点源的能力．射电望远镜必须有足够的灵敏度和分辨率，在观测中才能检测到所研究射电源的信号，将它从邻近的背景源中分辨出来，进而观测其结构细节．射电望远镜的发展历史，就是不断提高灵敏度和分辨率的历史．

3 射电望远镜的分类

根据接收天体射电的天线孔径的构成方式不同，射电望远镜可以分为连续孔径和非连续孔径射电望远镜两大类．

连续孔径射电望远镜是射电望远镜的一种最简单的类型，它的灵敏度和分辨率由天线孔径的实际尺寸和形状决定．这类望远镜的天线孔径可以有各种形状，如通常的抛物面﹑球面﹑抛物柱面﹑抛物带形反射面等[1]．最具代表性的是采用单抛物面天线的经典式射电望远镜．连续孔径射电望远镜还可分为全可转型或可跟踪型、部分可转型、固定型3种类型．目前，世界上有两架口径百米级的可跟踪型射电望远镜，一架是安装在德国马克斯·普朗克射电天文研究所的经典式抛物面射电望远镜，其抛物面天线直径达100 m；另一架是美国国家射电天文台在西弗吉尼亚州建造的全方位可转动单天线射电望远镜——绿岸射电望远镜，其碟形天线尺寸为100 m×110 m．我国上海佘山的65 m口径射电望远镜，是亚洲最大的全方位可转动射电望远镜．美国阿雷西博射电望远镜是目前世界上第二大单天线射电望远镜，位于波多黎各的阿雷西博，直径305 m，它是固定球面射电望远镜，不能转动，只能通过改变天线馈源(照明器)的位置，在天空中的一个带状区域扫描或跟踪．

非连续孔径射电望远镜主要是各类射电干涉仪，是以干涉技术为基础的各种组合天线系统，通常由多个天线组成．这种望远镜的分辨率由天线范围的外尺寸决定，而总的灵敏度则取决于全部天线单元面积的总和[1]．20世纪40年代末，英国天文学家赖尔首创了双天线射电干涉仪，其基本原理是：用相隔两地的两架性能相同的天线接收同一天体的无线电波，两束波进行干涉，其等效分辨率相当于一架口径为两天线间距离的单口径射电望远镜，这就为提高射电望远镜的分辨率开拓了广阔的前景．1952年赖尔提出“孔径综合”的概念和技术，解决射电望远镜的高分辨率和成像能力等难题，到60年代，英国剑桥大学建成了等效直径为1.6 km的综合孔径射电望远镜．综合孔径射电望远镜的发明是射电天文技术的重要里程碑，赖尔因此获得1974年诺贝尔物理学奖．在赖尔取得成功以后，综合孔径射电望远镜进一步发展，其中最重要的是美国国家射电天文台的甚大天线阵(VLA)．70年代初，天文学家又发明了有极高分辨率的甚长基线干涉仪(VLBI)．目前射电天文学领域已经广泛应用长基线的干涉技术，将各国的射电望远镜联合运用，可以获得等效口径相当于地球直径量级的射电望远镜，甚至突破地球大小的限制，发展空间VLBI技术．

4 全球最大的单天线射电望远镜——“中国天眼”

坐落于贵州省平塘县的“中国天眼”FAST的落成启用，是我国在射电天文前沿的重大原创突破．“天眼”工程由我国天文学家于1994年提出构想，从预研到建成历时22年．望远镜由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端、以及观测基地等几大部分构成．其主动反射面是由4 450个反射单元组成的口径500 m球冠状反射面,观测时会通过主动控制在观测方向形成300 m口径瞬时抛物面以汇聚电磁波．FAST是目前世界上最大、最灵敏的单孔径射电望远镜．

FAST的建成具有重要的应用价值．它能够接收到137亿光年以外的电磁信号，观测范围可达宇宙边缘．在宇宙深空探测，寻找和研究脉冲星，观测暗物质和暗能量，进行高分辨率微波巡视，揭秘宇宙的起源与演化，搜寻识别可能的星际通讯信号，寻找地外文明等领域，均可发挥重要作用．“天眼”运行后，还将开展国际科研合作，作为最大的单孔径射电望远镜加入国际甚长基线网，我国在太空探索领域的国际影响将持续增强．

射电望远镜诞生以来，推动了射电天文学的迅速发展，20世纪60年代取得了4项非常重要的发现，即脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射和星际有机分子，被称为天文学“四大发现”．这4项发现都与射电望远镜的发展密切相关．全球最大单天线射电望远镜“中国天眼”的建成，将帮助人类探索更遥远的未知宇宙，揭示和发现宇宙深空的奥秘．

1 中国大百科全书天文学编委会. 中国大百科全书(天文学). 北京：中国大百科全书出版社， 1980. 304，212

2 宣焕灿, 刘金沂. 揭开星光的奥秘——天文学探测方法. 北京：科学普及出版社， 1985. 115

*宁夏民族职业技术学院2017年度院级科研项目“职业院校推进科学素质行动计划的实践探索与研究”，项目编号NMYK201706

2017-03-10)