射电望远镜的发展和现状

• 今 天 的 射 电 望 远 镜 集 当 今 最 先 进 的 技 术 于 一 身 ,需 要 多 方 面 的 尖 端 技 术 。 从 业 者 不 仅 要 有 专 长 ,而 且 还 要 善 于 最 大 限 度 地 从 国 内 甚 至 世 界 的 “ 技 术资 源 ” 中 吸 取 ; 还 要 适 时 地 发 展 新 技 术 。• 还 要 善 于 与 ” 地 方 发 展 ” 互 动 , 取 得 地 方 领 导 和人 民 大 众 的 支 持 。• 研 究 射 电 天 文 需 要 了 解 其 他 波 段 天 文 研 究 的 知识 。射 电 望 远 镜 发 展需 要 各 方 面 的 人 才

射 电 望 远 镜 的 发 展 和 现 状一 、 射 电 天 文 观 测 到 巨 大 进 步二 、 射 电 天 文 学 的 萌 生三 、 世 界 大 型 单 天 线 射 电 望 远 镜四 、 综 合 孔 径 射 电 望 远 镜五 、 甚 长 基 线 干 涉 仪 系 统 的 发 展

一 , 射 电 天 文 观 测 的 巨 大 进 步射 电 波 段 的 观 测 的 突 破• 最 初 射 电 观 测 分 辨 率 比 光 学 差 5 个 数 量 级 , 不 能 成像 ;• 肉 眼 (0.6 厘 米 ) 波 长 550 纳 米 , 分 辨 率 23 角 秒100 米 射 电 望 远 镜 ,5 厘 米 波 长 , 分 辨 率 125 角 秒• 目 前哈 勃 空 间 望 远 镜 0.1 角 秒射 电 望 远 镜~0.00125 角 秒并 能 成 像 。

射 电 天 文 学 成 为 诺 贝 尔 物 理 学 奖 的 摇 篮10 项 天 文 诺 贝 尔 物 理 学 奖 中射 电 望 远 镜 发 明 1 项射 电 观 测 成 果4 项占 50%

1, 射 电 天 文 的 萌 生20 世 纪 30 年 代 初 美 国贝 尔 电 话 实 验 室 的 央 斯基 发 现 银 河 系 中 心 发 射来 的 无 线 电 波 。

央 斯 基 K. G. Jansky• 20 世 纪 20 年 代 末 , 贝 尔 电 话 实 验室 , 央 斯 基 负 责 研 究 短 波 无 线 电 通讯 中 的 静 电 干 扰 , 意 外 地 发 现 来 自天 体 的 无 线 电 噪 声 。 可 贵 之 处 在 于• 1932 年 , 宣 布 接 收 到 来 自 太 阳 的 噪 声 ;• 1933 年 , 指 出 来 自 银 河 系 中 心 ;• 1935 年 , 再 次 发 表 进 一 步 的 观 测 结 果 。

发 现 一 种 十 分 微 弱 而 又 十 分 稳 定 , 经 过 一 年多 的 仔 细 观 测 和 分 析 , 确 认 是 来 自 太 阳 系 外某 个 确 定 的 方 向 。 天 线 指 向 银 河 系 的 某 个 部分 , 就 会 收 到 辐 射 , 指 向 银 河 系 中 心 处 有 最大 响 应 。

雷 伯 (Grote Reber)• 无 线 电 工 程师• 研 制 一 台 9.5米 反 射 面 射 电望 远 镜• 验 证 了 央 斯基 的 结 果

• 得 知 央 斯 基 发 现 宇 宙射 电 辐 射 后 , 立 即 向 贝尔 实 验 室 提 出 调 去 与 央斯 基 一 起 研 究 射 电 天 文学 。 没 有 成 功 。• 决 心 用 业 余 时 间 和 自己 的 工 资 来 实 现 梦 寐 以雷 伯 射 电 望 远 镜( 放 置 在 NRAO)求 的 愿 望 。 经 过 几 年 的 努 力 , 制 成 了 世 界 上 第 一 台射 电 望 远 镜 。 雷 伯 把 它 安 装 在 自 己 家 的 后 院 里 。

观 测 结 果人 类 第 一 幅 射 电 天 图 ,给 出 银 河 系 3 个 强 射 电 源 。美 国 成 为 射 电 天 文 学 的发 源 地 。 央 斯 基 和 雷 伯 是奠 基 人 。光 学 天 文 技 术 和 射 电 技 术 差 别 太 大 , 当 时 的 天 文 学家 基 本 上 没 有 跟 进 。 人 民 还 没 有 仔 细 品 尝 这 道 美 餐 ,第 二 次 世 界 大 战 中 断 了 射 电 天 文 的 发 展 。

2, 雷 达 技 术 促 使 射 电 观 测 技 术 发 展• 雷 达 对 无 线 电 信 号 非 常 灵 敏 , 可 以 接 收 银 河系 、 太 阳 的 射 电 辐 射 及 流 星 遗 迹 回 波 。 雷 达 接 收系 统 就 是 射 电 望 远 镜 。• 第 二 次 世 界 大 战 中 , 雷 达 技 术 飞 速 发 展 , 飞机 载 雷 达 要 求 小 型 化 , 雷 达 从 米 波 到 厘 米 波 , 为战 后 射 电 天 文 发 展 准 备 了 绝 好 的 条 件 ( 人 员 、 设备 和 技 术 )。• 英 国 和 欧 洲 受 德 国 威 胁 最 大 , 雷 达 的 发 展 更快 。

• 二 战 中 , 英 国 雷 达 发 现 太 阳 射 电 爆 发 ;• 二 战 以 后 , 由 雷 达 改 造 的 射 电 望 远 镜 如 雨 后 春笋 般 在 世 界 各 国 出 现 。 主 要 用 于 观 测 太 阳 。 也有 一 些 直 径 20~30 米 的 抛 物 面 望 远 镜 。 其 性 能已 超 越 雷 伯 的 望 远 镜 。 观 测 波 段 达 到 分 米 波 和厘 米 波 , 空 间 分 辨 率 提 高 了 很 多 。• 一 些 研 制 雷 达 的 专 家 直 接 转 向 射 电 天 文 学 的 研究 。 射 电 天 文 学 的 研 究 蓬 勃 发 展 。

3, 我 国 的 射 电 望 远 镜 发 展 梗 概• 1958 年 开 始 。• 契 机 是 海 南 岛 日 环 食 , 前 苏 联 派 观 测 团 来 观测 , 为 迎 接 这 次 合 作 临 时 组 队 。 之 后 , 王 绶 琯先 生 受 命 实 施 发 展 射 电 天 文 的 计 划 。• 三 件 事 : 在 北 京 举 办 为 期 一 年 的 射 电 天 文 训 练班 ; 借 苏 联 观 测 对 一 台 射 电 望 远 镜 , 开 始 研 制自 己 的 射 电 望 远 镜 ; 在 沙 河 建 立 太 阳 射 电 观 测站 。

• 1958~1984 太 阳 射 电太 阳 射 电 望 远 镜 , 十 余 台 ;• 1984~1993 宇 宙 射 电密 云 米 波 综 合 孔 径 ;上 海 和 乌 鲁 木 齐 25 米 射 电 望 远 镜 ;青 海 13.7 米 口 径 毫 米 波 射 电 望 远 镜 ;• 2006 年 之 后 掀 高 潮北 京 50 米 、 昆 明 40 米 、 新 疆 21 厘 米 天 线 阵 和 中国 甚 长 基 线 干 涉 仪 相 继 建 成 。 贵 州 500 米 、 上 海65 米 、 新 疆 80 米 、 射 电 日 像 仪 在 建 或 筹 建 中 )

4, 射 电 望 远 镜 的 两 个 重 要 公 式射 电 望 远 镜 近 80 年 的 发 展 , 均 围 绕 它 们进 行 :(1) 能 接 收 到 来 自 天 体 的 微 弱 辐 射灵 敏 度 度 的 定 义 : 最 小 可 测 流 量 密 度Smin∝TsysA τΔfA 为 天 线 面 积 ,Δf 是 频 宽 ,t 是 观 测 时 间T sys 接 收 系 统 温 度 , 流 量 密 度 单 位 :

(2) 能 看 清 天 体 细 节 , 有 很 高 的 空 间 分 辨 率θ( 弧 度 )= 1. 22λD• θ: 分 辨 角 ; λ 波 长 ;• D: 单 天 线 望 远 镜 的 口 径 ;D: 多 天 线 望 远 镜 的 最 长 基 线 。分 辨 角 越 小 , 分 辨 率 越 高 。• 光 学 波 段 的 波 长 远 比 射 电 波 段 的 短 , 光 学 望 远镜 的 分 辨 率 远 比 射 电 望 远 镜 高 。

5, 射 电 望 远 镜 发 展 的 经 历围 绕 这 两 个 公 式 , 不 断 提 高 望 远 镜 的 灵 敏 度 和分 辨 率 :• 从 小 到 大 , 从 几 米 口 径 到 100 米 , 到 300 米 ;• 从 米 波 到 厘 米 波 , 到 毫 米 波 和 亚 毫 米 波 ;• 从 单 天 线 到 多 天 线 系 统 , 基 线 从 千 米 到 5 千 米 ,到 几 十 千 米 、 几 百 千 米 、 几 千 千 米 , 甚 至 几 万 千米 。• 从 地 面 到 空 间 。

三 , 大 型 单 天 线 射 电 望 远 镜国 际 大 型 射 电 望 远 镜• 英 国 Jodrell Bank76 米 射 电 望 远 镜 (1958)• 澳 大 利 亚 Parkes64 米 射 电 望 远 镜 (1961)• 美 国 Arecibo 305 米 射 电 望 远 镜 (1963)• 德 国 Bonn 100 米 射 电 望 远 镜 (1972)• 日 本 45 米 毫 米 波 射 电 望 远 镜 (1982)• 美 国 15 米 亚 毫 米 波 射 电 望 远 镜 (1987)• 美 国 Green Bank100×110 射 电 望 远 镜 (2000)

我 国 大 型 单 天 线 射 电 望 远 镜• 上 海 25 米 射 电 望 远 镜 ;• 乌 鲁 木 齐 25 米 射 电 望 远 镜 ;• 青 海 13.7 米 口 径 毫 米 波 射 电 望 远 镜 的 建 造 。• 北 京 密 云 50 米 射 电 望 远 镜• 昆 明 40 米 射 电 望 远 镜• 上 海 65 米 射 电 望 远 镜 ( 建 造 中 )• 新 疆 80 米 射 电 望 远 镜 ( 筹 建 中 )• 贵 州 500 米 射 电 望 远 镜 (FAST)( 建 造 中 )

1, 建 造 大 天 线 的 困 难 :(1), 天 线 表 面 要 求 高 精 度• 望 远 镜 天 线 表 面如 果 和 理 想 抛 物 面 有差 别 , 来 自 与 抛 物 面主 轴 平 行 方 向 上 的 天体 射 电 波 不 能 会 聚 到焦 点 上 。• 只 有 当 抛 物 面 天 线 的 表 面 精 度 达 到 1/20 波 长 。 对短 厘 米 波 和 毫 米 波 , 精 度 要 求 更 难 达 到 。

(2), 指 向 和 跟 踪 精 度 要 求 高对 大 型 天 线 来 说 , 分 辨 率 比 较 高 , 特 别 是 对短 厘 米 波 和 毫 米 波 , 分 辨 率 更 高 。 如 100 米 口径 ,1 厘 米 波 长 , 分 辨 角 仅 为 25 角 秒 。要 使 望 远 镜 的 方 向 主 瓣 准 确 对 准 射 电 源 要 求指 向 精 度 很 高 。 要 跟 踪 射 电 源 也 比 较 难 。 这 成为 望 远 镜 很 重 要 的 技 术 指 标 。

(3), 天 线 变 形 造 成 影 响• 天 线 的 自 重 , 不 同 位 置 不 同 的 影 响• 风 力 大 小• 温 度 变 化• 对 厘 米 波 段 、 毫 米 波 段 天 线 , 影 响 更 大 ,更 难 。

2, 英 国 是 先 锋 , 是 国 际 中 心• 二 战 后 , 英 国 洛 弗 尔 教 授 率 先 提 出 和 领 导 研 制 了76 米 口 径 的 大 型 射 电 望 远 镜 , 主 导 了 世 界 射 电 天 文学 从 小 型 射 电 望 远 镜 到 大 型 射 电 望 远 镜 过 渡 的 一 场技 术 革 命 。• 至 今 ,1957 年 建 成 的 76 米 口 径 射 电 望 远 镜 仍 然 是七 大 单 天 线 射 电 望 远 镜 之 一 , 成 为 世 界 天 文 学 发 展史 上 的 一 个 里 程 碑 。

英 国 Jodrell Bank76 米 射 电 望 远 镜21 厘 米 氢 线 迫 使 中 途 改 变 设 计• 1951 年 , 首 次 观 测 到 银 河21 厘 米 中 性 氢 谱 线 。• 76 米 原 设 计 最 短 1 米 , 不 能观 测 21 厘 米 氢 线 ! 改 变 设 计 。改 为 21 厘 米 , 加 工 精 度 需 要达 到 1 厘 米 。 改 用 金 属 面 板 。• 1987 年 , 改 名 为 洛 弗 尔 射 电 望 远 镜 。

3, 南 半 球 最 大 的 帕 克 斯 射 电 望 远 镜• 望 远 镜 于 1958 年 动 工 , 仅 用 2 年 半 的 时 间 就 顺利 完 成 , 于 1961 年 开 始 投 入 观 测 。• 澳 大 利 亚 地 广 人 稀 。 但 却 是 天 文 学 研 究 的 大国 , 射 电 天 文 学 研 究 更 是 世 界 领 先 。• 这 台 南 半 球 最 大 的 射 电 望 远 镜 管 了 半 边 天 , 对高 南 纬 的 射 电 源 的 观 测 成 为 它 的 专 利 。• 接 收 系 统 不 断 改 进 , 使 灵 敏 度 不 断 提 高 。

澳 大 利 亚 Parkes64 米 射 电 望 远 镜

• .多 波 束 接 收 系 统-- 提 高 灵 敏 度 和 加 快 观 测 速 度• 多 波 束 接 收 系 统 由 13 个 馈 源 和 自 己 的 低 温 放 大器 和 处 理 系 统 , 技 术 复 杂 , 相 当 庞 大 。• 一 次 能 看 到 的 天 区 范 围 大 了 13 倍 。 加 快 了 巡 查速 度 。 或 者 增 加 对 观 测 时 间 。• 多 波 束 接 收 系 统 进 行 中 性 氢 的 第 一 次 巡 天 , 将已 有 的 中 性 氢 区 的 样 本 增 加 百 倍 以 上 。• 继 而 这 个 系 统 又 用 于 脉 冲 星 巡 天 , 发 现 脉 冲 星的 数 量 成 倍 的 增 加 。

澳 大 利 亚64 米 射 电望 远 镜 13波 束 馈 源

4, 德 国 口 径 100 米射 电 望 远 镜• 20 世 纪 60 年 代 末 提 出建 造 口 径 100 米 可 跟 踪射 电 望 远 镜 , 而 且 要能 在 毫 米 波 观 测 。• 最 大 难 点 是 : 天 线 表 面 误 差 不 能 超 过 波 长 的1/20。天 线 运 转 过 程 中 , 因 天 线 自 重 量 、 风 速 、 温 度 变 形导 致 变 形 也 不 能 超 出 1/20 波 长 。。

最 大 亮 点 : 主 动 反 射 面 系 统• 1968 年 开 始 建 造 ,1972 年 8 月 1 日 投 入 观 测 。• 100 米 口 径 天 线 表 面 是 由 2372 块 长 3 米 、 宽 1.2米 的 金 属 板 排 成 17 个 同 心 圆 环 而 构 成 的 。• 首 次 把 主 动 反 射 面 技 术 引 入 射 电 望 远 镜 的 建造 。 在 天 线 表 面 的 每 块 金 属 板 下 面 安 装 一 种 特殊 的 可 调 整 的 支 撑 结 构 , 先 精 确 地 测 出 天 线 表面 变 形 的 情 况 , 然 后 按 照 测 得 的 数 据 , 用 电 子方 法 控 制 机 械 装 置 调 整 面 板 ,• 光 学 望 远 镜 在 20 世 纪 80 年 代 已 应 用 这 一 技 术 。

第 二 反 射 面 和 接 收 机• 观 测 频 带 很 宽 :90 厘 米 ~3 毫米 ; 分 成 22 个 波 段 来 配 备 接 收机 。• 在 主 反 射 面 焦 点 后 面 增 加 口 径6.5 米 的 凹 椭 球 面 的 反 射 面 , 有 两个 焦 点 F1 和 F2, 分 别 放 两 个 馈 源屋 。( 格 雷 果 里 在 1663 年 发 明 )

5, 美 国 格 林 班 克 100米 口 径 射 电 望 远 镜• 1988 年 ,91.5 米 射电 望 远 镜 突 然 坍 塌 。• 决 心 建 造 世 界 上 最大 的 可 跟 踪 射 电 望 远 镜 。 标 新 立 异 设 计 成 歪 脖 子 。天 线 表 面 上 和 正 上 方 空 无 一 物 , 有 效 接 收 面 积 大 ,避 免 支 撑 架 造 成 的 反 射 和 衍 射 。• 在 口 径 208 米 的 对 称 旋 转 抛 物 面 上 , 截 取 下 100 米×110 米 的 一 部 分 。

高 度 自 动 化 的 调 控 系 统• 激 光 测 距 系 统 , 测 出 天 线 表 面 形 变 , 发 出 指 令 通 过马 达 把 主 反 射 面 和 第 二 反 射 面 调 整 好 。 测 量 精 度 非常 高 , 也 非 常 快 。• 天 线 由 2004 块 金 属 板 拼成 , 每 块 金 属 板 四 个 角 上安 装 上 由 计 算 机 控 制 的 小型 马 达 驱 动 器 , 保 证 反 射面 不 偏 离 理 想 抛 物 面 。

6, 阿 雷 西 博 雷 达射 电 望 远 镜• 口 径 为 305 米 的阿 雷 西 博 射 电 望 远镜 , 并 不 是 为 了 天文 学 研 究 的 需 要 ,而 是 为 了 研 究 地 球 电 离 层 。 后 来 天 文 学 研 究 喧 宾 夺主 。 成 为 世 界 上 最 灵 敏 的 射 电 望 远 镜 和 雷 达 。

球 面 天 线 的 特 点1, 没 有 主 光 轴 ,便 于 观 测 不 同 方向 的 射 电 源 ;2, 聚 焦 在 一 条 线 上 。 对 馈 源 要 求 复 杂 ;3, 用 球 面 的 不 同 部 分 观 测 不 同 的 天 区 馈 源 要 相 应 的移 动 。 观 测 是 使 用 面 积 的 直 径 为 200 米 。如 果 是 抛 物 面 ,300 米 口 径 ,5 厘 米 波 长 , 方 向 图 主 瓣0.7 角 分 , 天 线 不 动 , 只 能 观 测 非 常 小 的 天 区 。

美 国 Arecibo 305 米 射 电 望 远 镜 馈 源 系 统 很 重 约900 吨 . 也 很 复 杂 。 观 测 时 要 迅 速 移 动 到 相 应 的 地 方 。

6, 毫 米 波 射 电 望 远 镜• 世 界 上 口 径 最 大 的 日 本野 边 山 的 45 米 ,1982 年 建成 。 工 作 波 长 在 1 毫 米 到 1厘 米 范 围 。 每 块 面 板 可 以由 遥 控 方 法 来 调 整 。 在 主 反 射 面 的 焦 点 处 放 置 一 个 4米 直 径 的 子 反 射 面 。 调 整 子 反 射 面 的 位 置 可 以 改 善因 主 反 射 面 变 形 造 成 的 影 响 。

7, 亚 毫 米 波 射 电 望 远 镜最 大 口 径 (15 米 ) 亚 毫 米波 射 电 望 远 镜 1987 年 完 成 。放 置 在 夏 威 夷 。 建 成 后 改以 Maxwell 的 名 字 命 名 , 简 称 JCMT。抛 物 面 天 线 由 276 块 可 以 调 整 的 面 板 组 成 。 为 防 止温 度 的 影 响 , 望 远 镜 放 置 天 文 圆 顶 中 , 天 线 前 面 还有 加 上 一 片 保 护 层 。 接 收 机 由 液 态 氦 冷 却 到 4k, 甚至 更 低 。

8, 空 间 毫 米 波 和 亚 毫 米 波 射 电 望 远 镜宇 宙 微 波 背 景 辐 射 黑 体 谱 的 确 认• 3K 黑 体 辐 射 谱 强 度 峰 值 在 波 长 为 0.2 厘 米 附近 。 需 要 在 70 厘 米 到 亚 毫 米 波 频 率 范 围 上 进 行测 量 。• COBE 携 带 的 较 差 微 波 辐 射 计 (DMR) 和 远 红 外频 谱 仪 (FIRAS) 的 波 段 覆 盖 是 9.6 毫 米 ~0.1 毫米 ;• WMAP 携 带 从 13.6~3.3mm 的 接 收 设 备

COBE 较 差 微 波 辐 射 计• 3 套 接 收 机 , 分 别 为 3.3, 5.7和 9.6 毫 米 。• 接 收 机 输 入 端 , 交 替 地 与 两 个喇 叭 天 线 相 连 接 , 它 们 指 向 天 空不 同 的 部 分 , 检 测 出 温 度 差 。• 两 个 天 线 分 别 的 COBE 飞 行 器 自转 轴 两 边 各 30 度 。 天 线 的 方 向束 为 7 度 。

WMAP 的 观 测 系 统• 一 对 背 靠 背 的 天 线 , 指 向 分 开140 度 的 天 区 口 径 1.4×1.6 米 ;• 致 冷 式 高 灵 敏 放 大 器 , 有 5 个 分离 的 频 段 , 从 22 到 90 GHz(13.6~3.3mm).• 整 个 观 测 台 处 在 可 展 开 的 遮 护 板 的 阴 影 之 中 , 这遮 护 板 也 提 供 太 阳 能 ;• 分 辨 率 : 至 少 0.3°( 全 天 的 观 测 )

宇 宙 微 波 背 景 辐 射 频 谱马 瑟 公 布 FIRAS 观 测 结 果 : 观 测 值 与 黑 体 辐 射 谱 的 符合 很 好 , 拟 合 温 度 2.726k, 精 度 达 到 万 分 之 三 。

9, 我 国 大 型 单 天 线 射 电 望 远 镜• 上 海 25 米 射 电 望 远 镜 (1986);• 乌 鲁 木 齐 25 米 射 电 望 远 镜 (1993);• 青 海 13.7 米 口 径 毫 米 波 射 电 望 远 镜 (1996)。• 北 京 密 云 50 米 射 电 望 远 镜 (2006)• 昆 明 40 米 射 电 望 远 镜 (2006)• 上 海 65 米 射 电 望 远 镜 ( 建 造 中 )• 新 疆 80 米 射 电 望 远 镜 ( 筹 建 中 )• 贵 州 500 米 射 电 望 远 镜 (FAST)( 建 造 中 )

(1), 上 海 25 米 射 电 望 远 镜• 25 米 射 电 望 远 镜 于 1986 年 建 成 ,1987 年 投 入 使用 。 第 一 台 大 一 些 的 射 电 望 远 镜 。• 进 行 甚 长 基 线 干 涉 观 测 的 , 很 快 就 在 国 际 VLBI观 测 网 中 占 有 一 席 之 地 。1994 年 成 为 欧 洲 网 正式 成 员 。 欧 洲 网 由 于 上 海 25 米 口 径 射 电 望 远 镜的 加 入 , 使 基 线 长 了 3 倍 多 , 提 高 分 辨 率 3 倍多 。

叶 叔 华 院 士 站 立 15 分 钟 的 故 事• 在 70 年 代 末 , 叶 叔 华 为 了 建 造 25 米 口 径 射 电 望远 镜 的 事 去 电 子 工 业 部 找 主 管 处 长 , 处 长 说 声不 行 以 后 就 不 再 理 她 。• 她 在 处 长 办 公 桌 不 远 的 地 方 足 足 地 站 了 15 分钟 , 感 动 了 处 长 , 帮 她 联 系 去 见 了 部 长 , 并 成功 地 获 得 支 持 。 上 海 25 米 射 电 望 远 镜 顺 利 开建 。 她 继 而 促 成 了 建 造 乌 鲁 木 齐 25 米 射 电 望 远镜 。

上 海 天 文台 25 米 射电 望 远 镜(1987)专 门 为 甚 长 基 线 干 涉 观 测 研 制 的 , 国 际 联 网 观测 的 重 要 成 员 。

出 色 的 VLBI 观 测 和 实 验 室• VLBI 观 测1. 喷 流 与 吸 积 物 理2. 活 动 星 系 核 的 辐 射3. 天 文 脉 泽 与 分 子 谱 线4,VLBI 天 体 测 量 的 应 用• VLBI 技 术 发 展 和 我 国 VLBI 网 中 心1, 硬 盘 记 录 系 统2, 实 时 VLBI3,VLBI 相 关 处 理 机 的 研 制

(2), 乌 鲁 木 齐 25 米射 电 望 远 镜• 1993 年 11 月 建 成 。• 南 山 站 处 在 欧 亚 大 陆连 接 点 , 使 欧 洲 VLBI 网观 测 精 度 提 高 了 4-5 倍 。• 单 天 线 观 测 以 脉 冲 星 和 星 际 分 子 为 主 , 其 中 以脉 冲 星 的 研 究 最 为 出 色 , 在 国 际 上 相 当 大 小 望 远镜 中 的 脉 冲 星 观 测 也 是 最 出 色 的 ,• 已 具 备 观 测 甲 醛 、 羟 基 和 氨 分 子 的 能 力 。

乌 站 25 米 望 远 镜 接 收 机 全 部 更 新性 能 提 高 很 多18cm 波参 加 国 际 、 国内 VLBI 联 测 重要 的 波 段6cm 波段接收机段接收机

乌 站 25 米 脉 冲 星 观 测 的 能 力 的 提 升1996 年 : 首 次 观 测 、 单 通 道 观 测 , 观 测 能 力 :8 颗1999 年 : 模 拟 多 通 道 消 色 散 系 统 , 观 测 能 力 :74 颗2002 年 : 制 冷 双 极 化 18cm 接 收 机 改 造 ,观 测 能 力 :280 颗2009 年 : 数 字 消 色 散 系 统 终 端~300 颗 , 包 括 20 颗 毫 秒 脉 冲 星观 测 能 力 不 断 提 高 : 不 断 改 进 接 收 机 ; 有 坚 持 不 懈的 课 题 组 ; 有 配 套 的 技 术 人 员 。

(3), 德 令 哈 毫 米 波13.7 米 射 电 望 远 镜• 1978 年 筹 建 ,1990 年基 本 建 成 。1.3 厘 米 波段 的 接 收 机 , 开 始 观 测氨 和 水 分 子 的 谱 线 。• 1996 年 , 研 制 完 成 3 毫 米 波 段 制 冷 接 收 机 , 正 式 开始 毫 米 波 的 观 测 。• 近 些 年 , 观 测 能 力 提 升 很 快 。

亚 毫 米 波 射 电 望 远镜 和 超 导 接 收 机• 2001 年 紫 金 山 天 文 台研 制 完 成 移 动 式 亚 毫 米波 望 远 镜 。 观 测 波 长0.6 毫 米 。 天 线 口 径 30 厘 米 , 采 用 超 导 接 收 机 前 端 ,致 冷 系 统 达 到 4K。• 德 国 退 役 亚 毫 米 波 射 电 望 远 镜 ( 口 径 3 米 ) 赠 送我 国 , 确 定 放 置 在 羊 八 井 。 观 测 站 在 筹 建 中 。

望 远 镜 性 能 提 升 状 况3mm 波 段 SIS 超 导 接 收 机 , 锁 相 本 振控 制 系 统 更 新面 板 精 度 提 高 达 到 0.1mm, 波 束 70”, 指 向 精 度 优于 10”; 安 装 在 高 透 明 天 线 罩 内多 谱 线 中 频 和 后 端 系 统• 三 路 均 为 1024 通 道 的 AOS 谱 线 接 收• 连 续 谱 :BW 800MHz

(4),3 米 口 径 亚 毫 米 波 射 电 望 远 镜• 德 国 退 役 亚 毫 米 波 射 电 望 远 镜 ( 口 径 3 米 ) 赠 送 我国 .• 由 国 台 负 责 , 确 定 放 置 在 西 藏 羊 八 井 。 观 测 站 在筹 建 中 。

(5), 北 京 密 云 50 米射 电 望 远 镜• 2006 年 4 月 底 完 成 。• 原 来 计 划 主 要 观 测 脉 冲 星后 来 改 为 探 月 专 用 设 备 。 北 京 密 云 观 测 站 。 天 线 高56 米 , 总 重 680 吨 。 表 面 为 抛 物 面 形 状 , 分 为 七 环 ,中 心 为 金 属 实 板 面 , 半 径 为 30 米 ; 外 环 为 内 径 6.5cm的 丝 网 面 , 径 宽 20 米 。• 有 六 个 频 段 。327MHz~12000MHz。

(6), 昆 明 40 米 射 电 望 远 镜• “ 探 月 ” 工 程 催 生 。 仅 用 了 2 年的 时 间 建 成 。• 接 收 机 仅 有 13 厘 米 和 3.6 厘 米两 个 波 段 , 这 是 国 际 上 常 用 的甚 长 基 线 干 涉 观 测 波 段 。• 抛 物 面 天 线 表 面 内 径 26 米 为 板 状 面 板 , 外 圈 27米 至 40 米 为 网 状 结 构 。 内 圈 的 27 米 可 在 短 厘 米波 观 测 。

(7) 正 在 建 造 的 上 海 65 米 口 径 射 电 望 远 镜• 主 动 反 射 面• 观 测 波 段 可 达7 毫 米• 经 费 2。1 亿2009 年 举 行 奠 基

(8) 新 疆 80 米 ( 筹 建 中 )• 大 于 英 国 76 米 和 澳 64 米• 经 费 估 计 :1.6 亿• 自 治 区 支 持 5000 万• 主 要 观 测 波 段 :18 厘 米 ~1.36 厘 米• 新 台 址 : 奇 台 县 境 内

(9), 在 建 造 中 的 500 米 口 径 射 电 望 远 镜(FAST)21 世 纪 的 国 际 射 电 望 远 镜 和 中 国 的 方 案1993 年 在 日 本 都 召 开 的 国 际 无 线 电 科 学 联 合大 会 上 , 包 括 中 国 在 内 的 十 个 国 家 联 合 倡 议 ,建 造 接 收 面 积 无 1 平 方 公 里 的 新 一 代 大 型 射 电 望远 镜 , 简 称 SKA。 又 被 称 为 “21 世 纪 的 国 际 射 电望 远 镜 ”。 这 是 所 有 射 电 天 文 学 家 梦 寐 以 求 的 。

• 我 国 发 起 国 之 一 , 提 出 了 一 个 很 受 欢 迎 的 建 造方 案 , 成 为 4 个 候 选 方 案 之 一 : 在 贵 州 山 区 建造 30 个 类 似 阿 雷 西 博 那 样 的 大 型 射 电 望 远 镜 ,组 成 一 个 覆 盖 几 十 千 米 范 围 的 射 电 望 远 镜 阵列 。• 要 建 几 十 个 类 似 阿 雷 西 博 一 样 的 射 电 望 远 镜 ,贵 州 喀 斯 特 峰 丛 洼 地 很 多 , 仅 平 塘 县 就 有 合 适的 洼 地 170 多 个 , 峰 距 在 200 米 至 600 米 。 其中 , 峰 距 500 米 以 上 的 有 15 个 。

用 球 面 的 不 同 部 分 观 测 不 同 的 天 区馈 源 要 相 应 的 移 动如 果 是 抛 物 面 ,300 米 口 径 ,5 厘 米 波 长 , 方 向 图 主 瓣0.7 角 分 , 天 线 不 动 , 只 能 观 测 非 常 小 的 天 区 。

500 米 口 径 射 电 望 远 镜 (FAST)• 1997 年 7 月 , 提 出 要 独 立 建 造 一 面 世 界 最 大 单口 径 球 面 望 远 镜 的 计 划 。• “500 口 径 球 面 射 电 望 远 镜 预 研 ” 成 为 中 国 科 学院 重 点 支 持 的 创 新 项 目 简 称 FAST。• 1963 年 建 成 美 国 阿 雷 西 伯 射 电 望 远 镜 , 一 直 是世 界 最 大 。FAST 计 划 就 是 要 超 越 阿 雷 西 博 。• 阿 雷 西 博 望 远 镜 有 局 限 性 。 固 定 天 线 天 区 范 围不 够 大 。 分 辨 率 也 比 不 上 综 合 孔 径 和 甚 长 基 线干 涉 仪 。

• FAST 的 天 区 覆 盖 为 70%; 阿 雷 西 博 射 电 望远 镜 33%; 德 国 100 米 为 75%; 美 国 110×100为 80%; 澳 大 利 亚 64 米 射 电 望 远 镜 为 90%。• FAST 的 灵 敏 度 , 比 口 径 为 100 米 射 电 望 远 镜可 以 提 高 一 个 数 量 级 , 比 阿 雷 西 博 望 远 镜 高一 倍 。• FAST 有 宽 的 频 率 覆 盖 , 可 进 行 0.13-5GHz 范围 内 的 连 续 谱 和 射 电 谱 线 观 测 。

贵 州世 界 最大 口 径射 电 望远 镜500 米 口 径 射 电 望 远 镜

贵 州 政 府 和 人 民 坚 决 支 持• 无 线 电 环 境 绝 对 要 好 。 贵 州 无 线 电 管 理 局 已 经明 确 , 以 大 窝 凼 为 中 心 , 半 径 5 公 里 范 围 内 严禁 设 置 任 何 无 线 发 射 设 备 。• 十 三 年 来 , 贵 州 省 三 任 省 委 书 记 、 省 长 , 贵 州省 各 相 关 厅 局 和 各 级 地 方 政 府 对 FAST 项 目 给 予了 高 度 关 注 和 全 力 支 持 , 始 终 如 一 。• 平 塘 县 的 乡 亲 们 热 烈 欢 迎 。

贵 州 乡 民 欢 迎 建 造 500 米 射 电 望 远 镜

FAST 的 技 术 路 线 和 优 势• 采 用 主 动 反 射 面 技 术 使 部 分 天 线 表 面 变 为 抛 物面 , 相 当 于 有 一 系 列 的 不 同 指 向 的 300 米 口 径抛 物 面 天 线 , 从 而 只 需 在 抛 物 面 的 焦 点 处 放 置馈 源 和 接 收 机 前 端 , 因 此 平 台 就 小 得 多 、 轻 得多 了 。 当 然 , 也 需 要 移 动 平 台 以 适 应 观 测 不 同方 向 的 射 电 源 的 需 要 。

灵 敏 度 大 提 高• FAST:500 口 径 , 观 测 时 实 际 使 用 口 径 为 300米 ;• 阿 雷 西 博 :305 米 口 径 , 观 测 时 实 际 使 用 口 径 为200 米 ;• 观 测 灵 敏 度 比 阿 雷 西 博 的 观 测 高 出 一 倍 多 。比 口 径 为 100 米 射 电 望 远 镜 高 一 个 数 量 级 ,

关 键 技 术 实 验 和 FAST 模 型• FAST 的 模 型 口 径 50 米 。 把 主 动 反 射 面 和 馈 源 支撑 和 运 动 的 研 究 成 果 体 现 出 来 , 因 此 是 一 台 关键 技 术 实 验 的 射 电 望 远 镜 。2005 年 建 造 完 成 。 有 四 根 吊 塔 ; 反 射 面 支撑 梁 ; 钢 筋 水 泥 地 ; 反 射 面 索 网 ; 卷 索 机 构 。• 馈 源 平 台 实 验 的 现 场 照 片 。• 成 功 地 观 测 到 中 性 氢 谱 线 。

FAST50 米 模 型 : 这 台 望 远 镜 模 型 配 备 接 收 机 以 后 ,成 功 地 观 测 到 中 性 氢 谱 线 。

馈 源 实 验 : 西 电 两 级 控制 联 调 实 验

十 年 努 力 , 终 成 国 家 科 学大 工 程 项 目• 历 经 10 年 的 研 究 , 完 成 了 主 动 反 射 面 、 馈 源 索支 撑 等 关 键 技 术 的 可 行 性 研 究 , 各 项 关 键 技 术均 取 得 突 破 , 已 无 技 术 风 险 , 具 备 参 与 国 家 重大 科 学 工 程 遴 选 立 项 的 条 件 。• FAST 成 为 “ 十 一 五 ” 十 二 个 大 科 学 工 程 之 一 ,获 得 6 亿 多 人 民 币 的 经 费 支 持 。• 我 国 射 电 天 文 终 于 能 有 一 样 “ 世 界 第 一 的 射 电天 文 望 远 镜 了 ”。

四 , 综 合 孔 径 射 电 望 远 镜1, 赖 尔 的 故 事• 1918 年 生 于 英 格 兰 , 幼 年 就 喜 爱天 文 , 中 学 时 是 业 余 无 线 电 爱 好 者 。• 1939 年 牛 津 大 学 物 系 毕 业 后 就 到剑 桥 大 学 卡 文 迪 什 实 验 室 从 事 雷 达天 线 的 研 制 。• 二 战 时 , 应 征 入 伍 。 曾 从 事 有 关 雷 达 系 统 。 战后 , 回 到 卡 文 迪 什 实 验 室 , 从 事 射 电 天 文 研 究 。

2, 努 力 实 现 分 辨 率 超 过 光 学 望 远 镜 的 梦 想• 波 长 越 短 , 分 辨 率 越 高 。 射 电 厘 米 波 段 的 波 长比 可 见 光 要 长 10 万 倍 , 相 同 口 径 时 , 分 辨 率 要 差10 万 倍 。• 射 电 望 远 镜 无 法 像 光 学 望 远 镜 那 样 获 得 天 体 的照 片 , 只 能 用 一 支 粗 笔 来 画 等 强 度 图 。• 建 造 大 型 天 线 提 高 分 辨 率 的 办 法 遇 到 不 可 逾 越 的困 难 ! 射 电 天 文 学 的 发 展 要 求 另 找 出 路 !

光 的 干 涉1801 年 托 马 斯 · 杨在 实 验 室 实 现 光的 干 涉 , 证 明 光是 一 种 波 。单 色 光 射 到 第一 屏 的 单 孔 , 成 为 一 个 点 光 源 , 再 射 到 第 二 屏 的 双 孔 ,成 为 振 动 相 同 的 两 个 波 源 。 在 光 屏 上 出 现 干 涉 条 纹 。在 20 世 纪 , 把 这 个 光 学 的 干 涉 实 验 应 用 到 射 电 天 文 ,彻 底 改 变 其 落 后 状 态 。

干 涉 仪 大 大 提 高 分 辨 率• 分 辨 率 公 式λθ( 弧 度 )= 1. 22DD 为 两 面 天 线 之 间 的 距 离 。• 利 用 小 口 径 天 线 获 得 高 分 辨 能 力 。取 干 涉 仪 的 基 线 100 千 米 , 波 长 5 厘 米 时 ,分 辨 率 为 0.1 角 秒 , 达 到 大 型 光 学 望 远 镜 的分 辨 率 。• 进 一 步 增 加 基 线 , 就 可 以 超 过 光 学 望 远 镜 了 。

综 合 孔 径 望 远 镜 -- 化 整 为 零可 以 看 成 :1, 许 多 基 线 长 短不 同 的 双 天 线 干 涉 仪化 整 为 零 !2, 资 料 处 理 :把 各 个 双 天 线 干 涉 仪的 资 料 合 起 来 处 理聚 零 为 整 !

旋 转 抛 物 面 振 子 阵 两 单 元

原 理 之 一 :把 大 天 线 分 解 为 小 单 元• 设 想 把 大 抛 物 面 天 线 分 成 许 多 小 单 元 , 小单 元 的 两 两 组 合 相 当 于 许 多 副 干 涉 仪 。• 在 馈 源 上 汇 集 所 有 两 两 组 合 的 干 涉 波 , 每副 干 涉 仪 取 下 的 数 据 是 独 立 的 。• 借 助 计 算 机 对 全 部 独 立 数 据 进 行 处 理 , 可以 得 到 和 单 个 大 型 抛 物 面 的 分 辨 率 效 果 。

原 理 之 二 :只 需 取 不 同 间 距 的 数 据 来 进 行 处 理• 抛 物 面 分 成 许 多 小 单 元 , 有 很 多 方 向 相 同 、间 距 相 同 的 单 元 对 , 其 分 辨 率 是 相 同 的 。• 只 需 取 不 同 间 距 和 方 向 的 数 据 来 进 行 处 理 ,可 以 得 到 相 同 的 效 果 。问 题 简 化 了 !

原 理 之 三 :并 不 需 要 同 时 的 观 测 数 据• 如 果 射 电 源 是 稳 定 的 , 可 以 用 不 同 时 间 的 观测 数 据 进 行 处 理 。( 局 限 性 , 对 于 变 源 不 能 用 )• 只 用 2 面 天 线 就 可 综 合 。 一 面 固 定 , 以 它 为中 心 , 画 一 个 圆 , 等 效 于 一 个 “ 大 天 线 ”, 另 一面 可 以 移 动 , 逐 次 放 到 “ 等 效 大 天 线 ” 的 各 个 位置 , 每 放 一 个 地 方 进 行 一 次 射 电 干 涉 测 量 。• 各 次 测 量 的 数 据 一 起 进 行 处 理 。

原 理 之 四 : 地 球自 转 效 应 的 利 用上 图 : 天 线 A 和 B 的 运 动下 图 : 天 线 B 在 地 球 自转 12 小 时 中 位 置 的 变 化 。• 地 球 自 转 一 周 ,A 天 线绕 B 天 线 一 周 , 描 绘 出 一个 圆 路 径 。 相 当 于 把 可 移 动 天 线 逐 次 地 放 到“ 等 效 大 天 线 ” 各 个 地 方 。• 由 于 系 统 的 对 称 性 , 只 需 要 12 小 时 的 观 测 。

计 算 任 务 繁 重• 综 合 孔 径 原 理 在 1954 年 已 由 实 验 证实 是 正 确 的 , 但 因 要 处 理 异 常 多 的 观 测数 据 , 计 算 量 特 别 大 , 在 50 年 代 还 没 有储 存 容 量 足 够 大 、 计 算 速 度 足 够 高 和 的计 算 机 来 完 成 资 料 的 傅 里 叶 变 换 。• 到 了 60 年 代 随 着 计 算 机 的 发 展 , 综 合孔 径 射 电 望 远 镜 的 发 展 才 有 了 可 能 。

3, 剑 桥 大 学 5 千 米 基 线综 合 孔 径 射 电 望 远 镜• 8 面 天 线 , 口 径 13 米 ;基 线 5 千 米 东 西 向 排 列 ;4 面 可 移 动 , 放 在 长 1.2千 米 的 铁 轨 上 ;4 面 固 定 , 间 距 为 1.2 千 米 。• 现 在 天 线 重 新 布 局 , 将 3 面 天 线 移 到 南 北 方 向 。• 观 测 波 长 最 短 2 厘 米 , 分 辨 率 已 可 与 大 型 光 学 望远 镜 媲 美 了 。1971 年 建 成 。

天 鹅 座 强 射 电 星 系 ( 射 电 双 源 )射 电 展 源 的 二 维 图 象

4、 美 国 甚 大 阵 综 合 孔 径 射 电 望 远 镜• 在 20 世 纪 五 六 十 年 代 , 中 性 氢 观 测 备 受 关 注 。美 国 哈 佛 大 学 首 先 发 现 的 。 因 此 , 拟 建 口 径 为183 米 的 特 大 型 射 电 望 远 镜 天 线 。• 但 是 , 综 合 孔 径 发 明 , 使 美 国 人 倾 倒 , 改 变 初衷 , 决 定 建 更 强 大 的 综 合 孔 径 射 电 望 远 镜 。• 在 灵 敏 度 、 分 辨 率 、 成 像 速 度 和 频 率 覆 盖 四 个方 面 全 面 超 过 英 国 剑 桥 大 学 的 综 合 孔 径 射 电 望远 镜 。

威 力 强 大 的 甚 大 阵• 从 1961 年 开 始 , 经过 20 年 的 努 力 完 成 。• 27 架 口 径 25 米 的 可移 动 的 抛 物 面 天 线 组 成 , 分 别 安 置 在 三 条 铺 有 铁 轨的 轨 道 上 , 呈 Y 形 。 二 条 臂 长 21 千 米 , 另 一 条 臂 长 20千 米 。 每 条 臂 上 放 置 9 架 天 线 。• 工 作 波 段 最 短 可 达 到 0.7 厘 米 , 最 高 分 辨 角 为 0.05角 秒 , 优 于 地 面 上 的 大 型 光 学 望 远 镜 了 。

5, 荷 兰 威 斯 特 博 尔 克综 合 孔 径 射 电 望 远 镜• 1966 年 荷 兰 开 始 ,1970 年 7 月建 成 , 比 剑 桥 5 千 米 还 早 。• 14 面 直 径 25 米 抛 物 面 天 线 ,东 西 基 线 长 2700 米 。10 面 固 定 ,4 面 可 以 在 铁 轨 上 移 动 。• 望 远 镜 于 比 剑 桥 5 千 米 综 合孔 径 望 远 镜 的 灵 敏 度 要 高 出 6.5 倍 。

6, 澳 大 利 亚 望 远镜 致 密 阵 (ATCA)• 建 国 200 周 年 献 礼 项目 之 一 。1988 年 建 成 。由 六 面 22 米 口 径 的 天线 组 成 , 一 面 固 定 , 五 面 放 在 铁 轨 上 。• 观 测 波 段 为 21 厘 米 到 3 毫 米 , 目 前 国 际 上 特 有 的 主要 用 于 毫 米 波 观 测 的 最 大 综 合 孔 径 望 远 镜 。• 南 半 球 灵 敏 度 和 分 辨 率 最 高 的 综 合 孔 径 射 电 望 远镜 ,

7, 加 拿 大 Dominion 射 电 天 体 物 理 台 综 合 孔 径 射 电 望 远镜 由 口 径 7 面 9 米 天 线 组 成 , 其 中 3 面 天 线 可 以 在 铁 轨 上移 动 。 基 线 1 千 米 , 频 率 408MHz 和 1400MHz.

8, 印 度 米 波 综 合孔 径 射 电 望 远 镜• 印 度 选 择 米 波 和 分 米波 段 。1994 年 建 成 。 在米 波 段 的 灵 敏 度 超 过 了美 国 的 甚 大 阵 。 米 波 是 特 殊 波 段 , 环 境 干 扰 比 较 大 ,技 术 要 求 低 , 经 费 少 。• 30 台 直 径 为 45 米 的 抛 物 线 天 线 组 成 ,14 面 在 中 心区 ,16 面 沿 3 个 臂 分 布 。 最 长 基 线 是 25 千 米 。

9, 英 国 多 天 线 干涉 仪 系 统 (MERLIN)• 1980 年 投 入 观 测• 由 7 台 射 电 望 远 镜组 成 。• 基 线 长 度 达 到 217 千 米 。 分 辨 率 比 美 国 VLA 高 约 10倍 , 达 到 0.01 角 秒 。• 采 用 微 波 接 力 的 方 法 顺 利 信 息 传 输 。 剑 桥 大 学望 远 镜 的 信 号 需 要 五 次 接 力 送 到 焦 德 班 克 。 现 在改 用 光 纤 连 接 , 传 输 的 观 测 信 息 更 全 面 。

10, 日 本 野 边 山 日 像 仪 :T 字 形 排 列 , 东 西 长 488.96, 米 , 南 北 220.06 米 ,天 线 口 径 0.8 米 ;84 面 天 线 。 工 作 频 率 17GHz 和 34GHz。分 辨 率 10 角 秒 。

10, 亚 毫 米 波 阵• 世 界 上 第 一 个 亚 毫 米波 阵 (SMA), 属 美 国 史 密 松 天 文 台 于 2003 年 底 启用 。• 由 8 面 口 径 6 米 的 天 线 所 组 成 , 台 湾 提 供 两 面 天 线 。最 短 基 线 为 8 米 , 最 长 基 线 为 509 米 。 观 测 波 长 1.3 毫米 到 0.43 毫 米 。 最 高 分 辨 率 达 0.15 角 秒 。• 馈 线 长 度 要 求 做 到 丝 毫 不 差 , 特 别 是 不 能 容 忍 长 度的 无 规 变 化 。 否 则 就 不 可 能 很 好 的 进 行 成 像 观 测 。• SMA 放 置 在 夏 威 夷 岛 。

11, 智 利 阿 塔 卡 玛 毫米 波 / 亚 毫 米 波 阵• 建 造 中 , 简 称 为 ALMA。国 际 合 作 项 目 。• 64 面 12 米 口 径 天 线 组 成 。 观 测 波 长 从 1 厘 米 到 0.3 毫米 , 指 向 误 差 小 于 0.6“。 天 线 最 小 间 距 150 米 , 最 大 间距 14 千 米 。 空 间 分 辨 率 达 到 10 毫 角 秒 , 比 美 国 甚 大 阵 和哈 勃 空 间 望 远 镜 好 10 倍 。 成 像 速 度 快 、 质 量 好 。• 第 二 步 要 增 加 12 面 口 径 7 米 和 4 面 口 径 12 米 的 天 线 。

12, 我 国 的 多 天 线 射 电 观 测 系 统• 国 台 密 云 米 波 综 合 孔 径• 国 台 新 疆 21 厘 米 阵• 国 台 内 蒙 古 射 电 日 像 仪

密 云 综 合 孔 径射 电 望 远 镜• 1963 年 , 米 波 多 天 线干 涉 仪 开 始 建 造 ,1967年 完 成 第 一 期 工 程 。• 之 后 就 开 始 改 为 综 合 孔 径 。 直 到 1984 年 , 才 最 后完 成 。 这 个 频 率 上 观 测 占 有 一 席 之 地 。• 由 28 面 9 米 天 线 组 成 , 东 西 排 列 , 位 置 固 定 , 最 长基 线 为 1080 米 。 观 测 效 率 高 , 不 用 移 动 天 线 。

• 我 国 首 先 进 入 宇 宙 射 电 。 选 择 低 频 是 对 的 , 一是 空 白 , 一 是 造 价 低 技 术 比 较 简 单 。 在 初 创 时期 只 能 这 样 。 在 高 分 辨 率 射 电 观 测 方 面 作 出 成绩 。 低 频 巡 天 和 一 些 射 电 展 源 的 观 测 , 在 国 际上 有 一 定 的 发 言 权 。• 加 拿 大 综 合 孔 径 类 似 ,7 面 天 线 , 但 频 率 比 较高 :1400 和 400MHz, 科 学 寿 命 比 我 们 的 长 。• 天 文 投 入 不 够 , 国 内 的 技 术 水 平 还 不 高 。

21 厘 米 射 电阵 列 (21CMA)• “ 宇 宙 第 一 缕 曙光 ” 即 第 一 批 恒 星发 出 的 光 芒 , 会 导 致 发 射 氢 原 子 21 厘 米 谱 线 。• 宇 宙 膨 胀 速 度 很 快 , 红 移 值 约 为 6 到 20 之 间 ,21厘 米 波 长 红 移 变 长 为 1.5 米 ~6 米 之 间 。 低 频 射 电 观测 成 为 发 现 “ 宇 宙 第 一 缕 曙 光 ” 的 唯 一 手 段 。• 新 疆 天 山 山 脉 乌 拉 斯 台 山 谷

“21 厘 米 天 线 阵 ” 的 结 构• 东 西 基 线 长 6 千 米 , 分 布 了 41 组 天 线 阵 列 ;• 南 北 基 线 4.1 千 米 , 分 布 40 组 天 线 阵 列 。 等 效接 收 面 积 达 40000 平 方 米 。• 每 组 阵 列 由 127 个 对 数 周 期 天 线 单 元 组 成 。 相当 于 一 面 独 立 的 天 线 。• 始 终 观 测 北 极 天 区 100 平 方 度 的 视 场 。 长 时 间观 测 以 获 得 高 灵 敏 度 。 阵 列 天 线 固 定 在 地 面 。

国 台 厘 米 - 分 米 波 日 像 仪 的 设 计• 40 面 4.5 米 直 径 网 状 天 线 。 频 率 范 围 在 0.4-2GHz之 间 ,50 个 频 率 点 上 成 像 .• 60 面 2 米 直 径 金 属 板 天 线 。 观 测 频 率 在 2-15GHz 之间 , 可 在 32 个 频 率 点 上 成 像 。• 最 长 基 线 为 3km, 分 辨 率 达 到 1 角 分 -1.8 角 秒 。• 内 蒙 大 草 原 上 。世 界 领 先 水 平 :频 率 覆 盖 最 宽 ;成 像 频 点 最 多 :

五 , 甚 长 基 线 干 涉 观 测• 取 消 馈 线 , 两 面 天 线 可 以 放 得 尽 量 的 远 ,故 称 甚 长 基 线 干 涉 仪 。 分 辨 率 可 达 毫 角 秒~ 微 角 秒 。 大 大 超 过 大 型 光 学 望 远 镜 。• 已 经 实 现 洲 际 和 空 间 甚 长 基 线 干 涉 网 。• 我 国 上 海 和 乌 鲁 木 齐 的 两 台 射 电 望 远 镜加 入 欧 洲 网 , 还 将 建 设 由 4 台 射 电 望 远 镜 组成 的 中 国 甚 长 基 线 干 涉 网 。

1, 甚 长 基 线 干 涉 观 测 原 理• 两 台 射 电 望 远 镜 有 独立 的 接 收 机 、 本 振 ( 原子 钟 ) 和 记 录 器 ;• 在 记 录 上 打 上 原 子 钟时 标 , 保 证 同 时 观 测 ;• 用 原 子 钟 做 频 率 标 准 ,保 证 观 测 同 一 波 段 ;• 观 测 结 果 事 后 由 相 关器 处 理 。

实 现 三 个 相 同• 各 台 射 电 望 远 镜 观 测 记 录 同 一 个 射 电 源 、 在 同一 时 刻 发 出 的 、 同 一 频 段 的 信 号 。 满 足 这 “ 三个 相 同 ”, 记 录 在 磁 带 上 的 各 台 射 电 望 远 镜 的观 测 数 据 才 是 相 关 的 , 输 入 相 关 处 理 器 后 就 能实 现 干 涉 。• 这 与 用 馈 线 把 两 面 天 线 接 收 到 的 射 电 源 信 号 送到 一 起 相 加 的 效 果 是 一 样 的 。

原 子 钟 应 用 于 甚 长 基 线 干 涉 仪• 一 般 干 涉 仪 共 用 一 个 本 机 振 荡 器 , 频 率 不 稳定 , 同 时 影 响 两 台 射 电 望 远 镜 , 依 然 能 保 证 接收 天 体 同 一 频 段 的 辐 射 。• 独 立 观 测 采 用 频 率 极 端 稳 定 的 原 子 钟 作 为 本振 , 观 测 过 程 中 频 率 不 变 。• 在 观 测 时 把 原 子 钟 的 时 间 和 观 测 数 据 一 起 记 录在 磁 带 上 , 很 容 易 确 定 两 台 射 电 望 远 镜 同 时 观测 的 时 刻 。

2, “ 名 不 副 实 ” 的 欧 洲 网• 1980 年 联 合 建 立 欧 洲 甚 长 基 线 干 涉 观 测 网 ,简 称 EVN。• 欧 洲 网 所 覆 盖 的 地 区 还 不 够 大 , 邀 请 中 国和 南 非 参 加 , 形 成 非 常 长 基 线 的 VLBI 网 。• 上 海 25 米 射 电 望 远 镜 的 加 入 , 使 基 线 长 了3 倍 多 ;• 乌 鲁 木 齐 射 电 望 远 镜 的 参 加 , 使 分 布 更 合理 , 观 测 精 度 提 高 了 4-5 倍 。

名 不 副 实 的 欧 洲 网

3, 美 国 甚 长 基 线 干 涉 阵 VLBA• 1986 年 开 始 ,1993 年 5 月 完 成 。• 由 十 台 射 电 望 远 镜 组 成 , 性 能 完 全 一 样 , 从 东部 维 尔 京 岛 到 西 部 的 夏 威 夷 岛 , 基 线 跨 度 8600千 米 , 最 小 基 线 为 200 千 米 。 观 测 波 长 90 厘米 ~3.5 毫 米 。 分 辨 率 达 到 亚 毫 角 秒 级 。 比 最好 的 光 学 望 远 镜 的 分 辨 率 高 2~3 个 数 量 级 ,• 设 立 了 “ 动 态 观 测 时 间 ” 的 申 请 。 如 3.5 毫 米 的VLBA 观 测

3, 美 国 甚 长 基 线 干 涉 阵 (VLBA) (1993)• 10 台 25 米 口 径 射 电 望 远 镜 一 模 一 样 ;• 从 美 国 东 部 到 西 部 的 夏 威 夷 , 约 8600 千 米 ;• 最 短 波 长 达 到 3.5 mm

4, 甚 长 基 线 干 涉 空 间 观 测• 天 文 观 测 对 分 辨 率 的 要 求 是 无 止 境 的 , 再提 高 分 辨 率 , 就 要 突 破 地 球 大 小 的 限 制 , 发展 空 间 VLBI 技 术 ;• 首 次 实 验 : 美 国 宇 航 局 的 工 作 数 据 传 送 卫星 天 线 (4.9 米 ) 与 地 面 日 本 64 米 、45 米 和 澳70 米 射 电 望 远 镜 实 验 成 功 。

日 本 甚 长 基 线 干涉 空 间 观 测 站(VSOP)1997 年 完 成• 口 径 为 8 米 的 射 电望 远 镜 在 太 空 , 轨道 周 期 约 6 小 时 , 近 地 点 为 560 千 米 , 远 地 点 为 21000千 米 。 观 测 波 长 18cm, 6cm 和 1.3cm;相 同 波 长 的 分 辨 率 比 地 面 VLBI 网 提 高 了 三 倍 以 上 。• 已 经 停 止 工 作 , 正 在 研 制 下 一 代 。

5, 嫦 娥 探 月 观 测 和 我 国 VLBI 网 的 建 立• 为 了 嫦 娥 一 号 的 发 射 , 快 速 建 立 了 自 己 的 甚 长基 线 干 涉 网 。 上 海 天 文 台 是 数 据 资 料 中 心 。• 4 台 射 电 望 远 镜 的 位 置 和 彼 此 之 间 的 距 离 : 最短 基 线 是 上 海 到 北 京 的 1114 千 米 , 最 常 基 线 是上 海 与 乌 鲁 木 齐 之 间 达 3249 千 米 。 这 是 一 个 令人 羡 慕 的 数 字 , 最 长 基 线 距 离 比 著 名 的 英 国 多天 线 干 涉 仪 的 最 长 基 线 要 长 10 多 倍 。 在 3.2 厘米 波 长 上 的 分 辨 率 达 到 2.5 毫 角 秒 。

VLBI 测 轨 网 的 台 站 分 布

天 体 物 理 课 题 观 测 能 力 急 需 提 高• 最 长 基 线 3500 千 米 , 分 辨 率 比 较 高 , 作 为 一 个国 家 自 主 的 VLBI 系 统 很 重 要 。 但 是 目 前 天 体 物理 课 题 的 观 测 能 力 还 太 差 。• 就 脉 冲 星 的 自 行 观 测 来 说 , 美 国 的 VLA、 英 国MERLIN 和 美 国 VLBA 均 有 很 多 观 测 。• 我 国 的 VLBI 的 观 测 能 力 有 限 , 郭 丽 等 成 功 地 获得 PSR0329+54 的 位 置 和 自 行 , 位 置 的 精 度 很高 。但 是 , 能 观 测 的 脉 冲 星 数 目 太 少 。

六 , 关 注 其 他 波 段 的 观 测 研 究• 多 波 段 研 究 很 重 要 ,• 目 前 脉 冲 星 已 进 入 全 波 段 观 测 研 究 的 阶 段 ;• 类 星 体 的 发 现 始 于 射 电 观 测 , 但 寻 找 射 电 源 的光 学 对 应 天 体 , 才 发 现 其 巨 大 的 红 移 , 寻 找 类星 体 的 候 选 者 有 用 上 行 星 际 闪 烁 的 观 测 研 究 。• 伽 玛 暴 的 X 射 线 余 辉 、 光 学 余 辉 、 射 电 余 辉 的观 测 在 伽 玛 暴 发 现 近 30 年 后 才 实 现 , 艰 难 曲折 。 富 有 戏 剧 性 , 简 单 介 绍 一 下 。

宇 宙 γ 射 线 爆 发• 美 国 维 拉 卫 星 在 监 视 前 苏 联 的 核 实 验 时 发 现宇 宙 γ 射 线 爆 发 。• 天 空 中 最 突 出 、 最 令 天 文 学 家 兴 奋 的 对 象 之一 。• 康 普 顿 γ 射 线 天 文 台 , 平 均 每 天 发 现 一 个 γ 射线 爆 发 。

1、γ 射 线 爆 发 特 征• 辐 射 变 化 剧 烈 而 迅 速 , 呈 脉 冲 状 。 上 升 时 间为 0.2 秒 , 最 快 的 可 达 毫 秒 量 级 。 爆 发 持 续 时 间从 0.1 秒 至 100 秒 。• 通 常 , 一 个 脉 冲 结 束 后 , 紧 接 着 有 第 二 个 、第 三 个 脉 冲 出 现 ( 脉 冲 数 可 以 有 1 至 5 个 )。• 某 些 强 爆 发 源 的 直 径 不 超 过 1,500 千 米 。• 不 知 道 爆 发 源 的 距 离 , 不 知 道 哪 一 个 爆 发 最强 。

2, γ 射 线 爆 发 源 的 空 间 分 布• 早 期 的 观 测 无 法 确 定 射 线 爆 发 源 的 方 位 ,无 法 讨 论 爆 发 源 的 空 间 分 布 。• 康 普 顿 天 文 台 发 射 之 后 , 能 确 定 方 位 , 但仍 无 法 确 定 距 离 。 找 不 到 对 应 的 已 知 天 体 。无 法 讨 论 其 真 实 分 布 。• 至 今 发 现 的 γ 射 线 爆 发 源 已 超 过 2500 多 个 ,分 布 显 示 出 非 常 好 的 各 向 同 性 。

γ 射 线 暴 发 生 的 位 置 和 强 度 的 全 天 星 图显 示 出 非 常 好 的 各 向 同 性

3,γ 射 线 爆 发 源 是 银 河 系 里 的 中 子 星 吗 ?• 少 数 学 者 认 为 是 银 河 系 中 的 老 年 中 子 星 。可 能 显 示 出 均 匀 分 布 。 前 人 的 结 果 要 求 老 年中 子 星 离 太 阳 系 很 近 , 在 50~500 pc 之 内 。• 一 种 研 究 结 果 ( 对 年 龄 为 10 9 —10 10 年的 老年 中 子 星 , 进 行 模 拟 分 析 ) 获 得 的 空 间 分 布 ,经 修 正 后 , 与 观 测 到 的 gamma 射 线 暴 的 分 布很 像 。

591 个 Gamma 射 线 暴的 分 布经 过 修 正 后 的 、 在距 离 太 阳 1.0kpc 之内 的 507 颗 老 年 中子 星 (10 9 年 ) 的 分布

4,γ 射 线 爆 发 源 是 河 外 天 体 吗 ?• 爆 发 发 生 在 银 河 系 之 外 , 因 此 能 很 好 地 解 释其 空 间 分 布 的 各 向 同 性 。 这 是 当 前 流 行 的 看 法 。• 遥 远 的 距 离 导 致 爆 发 的 能 量 必 须 异 常 的 大 :相 当 于 超 新 星 爆 发 ; 两 颗 中 子 星 碰 撞 合 并 ; 一颗 中 子 星 被 黑 洞 所 吞 食 时 产 生 的 能 量 。距 离 确 定 困 难 : 爆 发 停 止 就 完 全 消 ; 定 位 精 度低 , 几 度 范 围 内 无 法 找 到 对 应 的 已 知 天 体 。

3,γ 射 线 暴 的 X 射 线 余 辉• 美 国 学 者 居 多 , 但 是 没 有 成 功 。• 意 大 利 的 “ 贝 波 ”X 射 线 卫 星 , 国 内 国 际 均 不 看好 , 拖 了 10 年 , 于 96 年 发 射 。• “ 贝 波 ” 主 要 观 测 银 河 系 X 射 线 源 , 监 测 γ 射 线暴 是 附 带 任 务 。 结 果 上 天 仅 1 年 多 , 就 发 现 了γ 射 线 暴 的 X 射 线 余 辉 。 X 射 线 观 测 定 位 精 度高 , 也 就 能 确 定 位 置 了 。

• γ 射 线 暴 来 得 突 然 , 方 向 不 准 , 要 求 大 视 场 X射 线 望 远 镜 或 照 相 机 配 合 。• “ 掠 射 式 ”X 射 线 望 远 镜 , 分 辨 率 高 , 视 场 非 常小 。 为 了 扩 大 视 场 , 采 用 古 老 的 小 孔 成 像 方法 , 视 场 大 、 灵 敏 度 差 。 但 有 1 万 多 个 小 孔 , 加到 一 起 灵 敏 度 就 高 了 。• 1997 年 1 月 11 日 ,“ 贝 波 ” 记 录 到 第 一 个 γ 射 线暴 的 X 射 线 余 辉 。

4, 光 学 余 辉 的 发 现 和 红 移 的 测 量• 1997 年 2 月 27 日 ,“ 贝 波 ” 发 现 位 于 猎 户 座 的 γ射 线 暴 , 同 时 发 现 一 个 很 亮 的 X 射 线 源 。 误 差框 为 6 角 分 , 此 范 围 至 少 有 几 千 颗 恒 星 。• 对 比 赫 歇 尔 望 远 镜 拍 摄 的 两 张 照 片 , 发 现GRB970228 的 光 学 余 辉 。• 1997 年 5 月 8 日 ,“ 贝 波 ” 又 发 现 一 个 γ 射 线 暴 及X 射 线 余 辉 和 光 学 余 辉 , 并 测 出 红 移 是 0.835,相 当 于 60 亿 光 年 的 距 离 。

5, 射 电 余 辉 和 近 红 外 余 辉 的 发 现• 1997 年 5 月 8 日 的 这 个 暴 的 射 电 余 辉 被 甚 大 阵3.5 厘 米 波 段 观 测 发 现 。 射 电 源 的 光 度 变 化 非常 大 , 是 闪 烁 现 象 。 爆 发 后 膨 胀 , 角 径 变 大 ,闪 烁 现 象 消 失 。 表 明 火 球 以 光 速 膨 胀 。• 伽 玛 暴 是 河 外 天 体 , 很 远 。 射 电 流 量 不 会 太高 。FAST、65 米 和 80 米 应 该 能 看 见 一 部 分 。25米 射 电 望 远 镜 有 没 有 机 会 , 也 需 争 取 。

总 结• 我 国 射 电 天 文 进 入 大 发 展 时 期 , 急 需 人 才 ! 人才 种 类 , 培 养 途 径 , 来 源 !• 已 经 建 成 的 观 测 设 备 , 提 高 观 测 能 力 , 大 有 可为 , 需 付 出 持 续 的 能 力 (50 米 哈 40 米 )。 这 讲未 涉 及 接 收 机 系 统 , 将 在 脉 冲 星 观 测 中 讲 。• 在 建 任 务 繁 重 , 待 解 决 的 难 题 不 少 ;• 未 来 项 目 的 争 取 , 如 南 极 亚 毫 米 波 、80 米 天 线阵 、SKA 等 。 调 研 、 立 项 、 解 决 关 键 技 术 问题 。