打開宇宙觀測“新姿勢” 射電望遠鏡發展之路①_風聞

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、頻譜及偏振等指標，包括收集射電波的天線、放大射電信號的高靈敏度接收機以及信息處理、記錄和顯示系統等。20世紀60年代天文學取得的四項非常重要的發現：脈衝星、類星體、宇宙微波背景輻射和星際有機分子，都與射電望遠鏡有關。接下來就跟隨我們一起，瞭解下射電望遠鏡那些事兒吧~

射電望遠鏡的起源

在很多人看來，射電望遠鏡不過就是一口“大鍋”罷了。其實，射電望遠鏡並不一定都長得像鍋，1931年，射電天文學鼻祖、美國著名無線電工程師與天文學家央斯基（Karl Guthe Jansky）研製了一台由天線和接收機組成的設備，其外形酷似“旋轉木馬”，被稱為“旋轉木馬”射電望遠鏡。央斯基利用這台射電望遠鏡發現了銀河系中心的射電輻射，標誌着射電天文學的誕生。

圖1  央斯基和他的射電望遠鏡[1]

作為天文望遠鏡的一種，射電望遠鏡是捕捉宇宙中電磁波信息的重要工具，幾十年來它經歷了從小口徑到大口徑、從米波段到毫米波段、從單天線到多天線、從地面到太空的發展過程。

圖2  天文望遠鏡發展

大型射電望遠鏡的主要形式

除了射電天文觀測之外，有不少大型射電望遠鏡還應用於深空探測領域，由於深空探測器距離遙遠，到達地面的信號非常微弱，下行有效載荷的科學數據接收、測控信號的收發以及軌道的測量與跟蹤都需要利用大型射電望遠鏡來實現。

根據不同的觀測目標和工作頻段的需要，大型射電望遠鏡的“鍋”具有各種不同的形式，主要的有旋轉拋物面天線、拋物柱面天線和球面天線等。

旋轉拋物面是大型全可動射電望遠鏡中應用最多的形式，可以獲得較高的天線效率和接近全天區的空間觀測範圍，但由於在進行跟蹤觀測時需要整個天線都隨着目標源轉動，所以對觀測頻段的提高和天線口徑的增加也受到了工程極限的限制，目前旋轉拋物面射電望遠鏡的最大口徑仍侷限在百米量級。旋轉拋物面射電望遠鏡匯聚信號的基本原理與汽車車燈裝置利用拋物面發射平行光的原理相似，二者均利用了拋物面能將平行光匯聚到一點的幾何特性。

圖3  汽車車燈裝置利用拋物面發射平行光（左）與拋物面射電望遠鏡匯聚信號（右）

世界上第一台專用拋物面射電望遠鏡當屬雷伯射電望遠鏡。這台射電望遠鏡口徑9.6m，工作波長最初在1.87m，改進後為0.6m，採用了一些木質結構，總重約兩噸。1941年，雷伯用這台望遠鏡進行了人類第一次射電巡天，發現了天鵝座、仙后座和人馬座中的3個強射電源，獲得了人類歷史上第一幅銀河系射電天圖。

圖4  雷伯射電望遠鏡（左）及其複製品（右）[2]

拋物柱面天線效率較低，一般應用於低頻或特殊需求的場合，例如天籟項目中用於暗能量射電探測的陣列即使用了拋物柱面天線。

圖5  中國新疆天籟拋物柱面天線陣

球面天線由於良好的對稱性可以固定不動，可以突破旋轉拋物面射電望遠鏡口徑的技術限制，實現更大口徑射電望遠鏡的建設，但由於球面不能將平行光匯聚到一點，所以需要進行相差的二次修正，最具代表性的是美國Arecibo 305m射電望遠鏡。

圖6 美國Arecibo Telescope 305m射電望遠鏡

中國貴州的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）在靜止時也是球面的，但與Arecibo

305m不同的是，FAST通過創造性的鎖網及控制技術在射電源跟蹤時將主面實時的拉伸成旋轉拋物面，兼顧了球面與旋轉拋物面射電望遠鏡的優勢，在保證天線效率的同時能夠突破全可動旋轉拋物面射電望遠鏡的技術瓶頸。

單口徑大型射電望遠鏡發展歷程

靈敏度和角分辨率是評價一台射電望遠鏡好壞的重要指標。靈敏度決定了望眼鏡對微弱信號的觀測能力，而角分辨率則決定了對射電源細節的空間分辨能力。這兩個指標均與射電望遠鏡口徑有關，口徑越大，靈敏度越高，角分辨率也越高。射電望遠鏡所能匯聚的信號強度與等效接收面積成正比，對於旋轉拋物面天線來説，也就是與口徑的平方成正比。射電望遠鏡的角分辨率與波長成正比、與天線口徑成反比。顯然，在一定觀測波長下，角分辨率要求越高，射電望遠鏡的口徑就需要越大。由於射電信號非常微弱，為了觀測更弱更遠的射電源，並分辨射電源的細節，儘可能的提高射電望遠鏡的口徑一直是天文學家孜孜不倦的追求。

最早雷伯射電望遠鏡口徑才不到10 m，而今世界最大的單口徑射電望遠鏡——貴州FAST口徑達到了500 m。1957年英國曼徹斯特的建造了當時最大口徑的Lovell 76m全可動拋物面射電望遠鏡[3]。20世紀60年代相繼建成了美國國立射電天文台的42.7m射電望遠鏡[4]，加拿大的46m射電望遠鏡[5]。1961年澳大利亞建成南半球口徑最大的Parkes 64m射電望遠鏡[6]；同一時期建成的還有美國國立射電天文台的91m射電望遠鏡[7]，以及位於美國的Arecibo 305m固定式球面射電望遠鏡[8]（圖5）。1972年德國馬普實驗室建成了當時世界最大的全可動射電望遠鏡Effelsberg 100m[9]。2000年美國國家射電天文台（NRAO）在西弗吉尼亞州建成了目前世界最大的全天可動射電望遠鏡GBT（Green Bank Telescope）[10]，主面尺寸為100m×110m。圖7列出了國外一些主要的大型射電望遠鏡。

（a）1957年建設的英國Lovell 76m射電望遠鏡

（b）1960年建設的澳大利亞Parkes 64m射電望遠鏡

（c）1971年建設的德國Effelsberg 100m射電望遠鏡

（d）1982年建設的日本Nobeyama 45m射電望遠鏡

（e）2000年建設的美國Green Bank 110m×100m射電望遠鏡 

（f）2010年建設的墨西哥Large Millimeter 50m射電望遠鏡

（g）2012年建設的意大利Sardinia 64m射電望遠鏡

圖7 國外主要大型射電望遠鏡

20世紀八、九十年代，我國建成了上海佘山25m[11]和新疆南山25m[12]口徑射電望遠鏡，其中南山25m於2015年改造為26m射電望遠鏡。隨着我國射電天文學的發展和探月工程的啓動，2006年建成了北京密雲50m和雲南昆明40m射電望遠鏡[13]。2012年上海天馬65m、佳木斯66m和喀什35m射電望遠鏡建成使用[14]，2014年建成了洛南40m脈衝星觀測射電望遠鏡，於2016年9月建成的貴州500m口徑射電望遠鏡是目前國際上最大的單口徑望遠鏡[15]，2017年完成了密雲40m射電望遠鏡的研製。

我國正在建設和準備建設的大型射電望遠鏡主要有，正在建設的用於首次火星探測任務以及後續深空探測任務的武清站70m天線，建成後將是亞洲最大口徑的全可動射電望遠鏡；正計劃建設的新疆奇台站110m和雲南景東120m射電望遠鏡，建成後將是世界最大口徑的全可動射電望遠鏡。圖8列出了國內一些主要的大型射電望遠鏡。

（a）1987年建設的佘山中國25m射電望遠鏡

（b）2006年建設的中國密雲50m射電望遠鏡

（c）2006年建設的中國昆明40m射電望遠鏡

（d）2012年建設的中國天馬65m射電望遠鏡

（e）2014年建設的中國洛南40m射電望遠鏡

（f）2015年建設的中國南山26m（改造後）射電望遠鏡

（g）2016年建設的中國FAST 500m射電望遠鏡

（h）2017年建設的中國密雲40m射電望遠鏡

（i）建設中的中國武清70m射電望遠鏡效果圖

圖8  國內主要大型射電望遠鏡

除了前面講述的這些， 射電望遠鏡還有非常多的知識等待大家去了解，下一篇我們將為大家介紹綜合孔徑射電望遠鏡，以及射電望遠鏡在深空探測中的應用，不見不散哦~

未完待續……

主要參考文獻

[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] 李金嶺, 喬書波, 劉鸝. 座標變換方法用於佘山25m射電天線歸心測量的資料解析[J]. 測繪科學, 2010, 35(02):69-71.

[12] 張阿麗, 熊福文, 朱文耀. 新疆天文台25m VLBI、GPS歸心測量[J]. 大地測量與地球動力學, 2015, 35(04):680-683+688.

[13] 張洪波, 毛佩鋒, 汪敏, 等. 40m口徑射電望遠鏡[J].天文研究與技術, 2008(02):187-191.

[14] 王錦清，左秀婷，Kesteven M，等. TM 65 m射電望遠鏡面形微波全息測量[J]. 中國科學：物理學 力學 天文學，2017，47（9）：92-102.

[15] 南仁東, 姜鵬. 500 m口徑球面射電望遠鏡(FAST)[J]. 機械工程學報, 2017, 53(17):1-3.