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科学史话 | 射电望远镜知多少?

发布时间:2023/04/18浏览次数:

近日,由中国科学院国家空间科学中心建造的稻城太阳射电成像望远镜(Daocheng Solar Radio Telescope,DSRT)正处于系统调试阶段,研究人员用该射电望远镜开展了我国首次基于射电图像序列的脉冲星探测实验,从连续射电图像中成功识别出脉冲星闪烁。

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稻城圆环阵太阳射电成像望远镜台站全景


DSRT是我国自主研制的太阳射电监测“综合孔径相机”,工作在150-450MHz频段。DSRT阵列由313个6米口径抛物面天线组成,所有天线均匀分布在直径1000米的圆环上,是全球规模最大的综合孔径射电成像望远镜。自2021年3月起,本着“边建设、边调试、边运行”的原则,DSRT获取了大量太阳活动图像和频谱数据,已具备高质量监测太阳的能力。

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射电望远镜系统框图


什么是射电望远镜?


射电望远镜(radio telescope)是用于观测和研究来自天体的射电波的基本设备,可以测量天体射电的强度、频谱及偏振等量。射电望远镜与光学折射望远镜不同,它既没有高高竖起的望远镜镜筒,也没有物镜,目镜,它由天线和接收系统两大部分组成,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。

射电望远镜是由它的工作波段而得名的,其工作原理为:天体发出的无线电波通过望远镜主反射面反射到副反射面上,再由副反射面聚焦到焦平面上,装在焦平面上的接收机将无线电波加工、转化成可供记录、显示的形式,由终端设备将其记录下来,按特定的要求进行处理后显示出来。用旋转抛物面作反射面易于实现同相聚集,因此射电望远镜的天线主反射面大多是抛物面。


射电望远镜的工作性能


射电望远镜工作性能的好坏是由灵敏度和分辨率这两个主要指标来描述的。灵敏度是指射电望远镜在工作中所能测到的最小能量值,这个值越小灵敏度越高,射电望远镜的观测能力越好;分辨率是指射电望远镜区分两个相近位置射电源的能力。射电望远镜的两个工作指标可通过改进接收设备和改变反射面的接收面积来改善,最有效的方法则是增大射电望远镜的口径。

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世界最大的 500 米口径球面射电望远镜(FAST)


目前增大射电望远镜口径的方法有两种,一种是建设更大反射面口径的单体射电望远镜,另一种就是运用干涉仪的原理,建设阵列射电望远镜以此来实现增大接受面积的目的。目前这两种方法在国际上均有使用,2016年落成的500 米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)被誉为‘中国天眼’,是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜[[i]]。各国在研究更大口径的单体射电望远镜的同时,国际间也开始建立一些阵列式射电望远镜网络如平方公里阵列射电望远镜(Square Kilometre Array, SKA)、东亚甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)观测计划等。



       

平方公里阵列射电望远镜(SKA)


射电望远镜的应用


射电望远镜主要用于天文观测科学研究,2020年通过国家验收后的FAST已成为中低频射电天文领域的观天利器,未来将在快速射电暴起源与物理机制、中性氢宇宙研究、脉冲星搜寻与物理研究、脉冲星测时与低频引力波探测等方向产出深化人类对宇宙认知的科学成果[[i]]。除了科学研究外,射电望远镜还有太空天气预报、服务航天项目等功能,FAST将把中国空间测控能力由地球同步轨道延伸至太阳系外缘,将深空通讯数据下行速率提高100倍。同时,可以进行高分辨率微波巡视,以1Hz的分辨率诊断识别微弱的空间讯号,作为被动战略雷达为国家安全服务。还可跟踪探测日冕物质抛射事件,服务于太空天气预报。

上海65米射电望远镜作为我国乃至世界上的一台主干观测设备,将执行探月工程三期的VLBI测定轨和定位任务,以及我国未来月球和火星探测等各项深空探测任务,同时也用于射电天文观测等多项科学研究。该望远镜将进一步提升我国深空测定轨能力,为嫦娥探月工程和更长远的深空探测等国家重大战略需求服务。

21世纪的天文学有一系列亟待解决的重大科学难题,如宇宙起源和演化、暗物质暗能量与大尺度结构、黑洞和致密天体、引力波、太空生命起源与地外文明等,这些问题的揭示将使人类对物质世界的认识发生重大的变革。要想揭示这些难题,需要观测能力的提升,需要不断推动射电望远镜与新技术新方法相结合,朝着多观测波段、高分辨率、高灵敏度等方向发展。

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上海天马望远镜观测站

参考文献


[1]中国科学院国家空间科学中心.稻城太阳射电成像望远镜成功开展脉冲星探测实验[EB/OL].(2023-3-30)[2023-3-31].http://nssc.ac.cn/xwdt2015/kydt2015/202303/t20230330_6720481.html

[2]中国科学院.全球最大单口径射电望远镜在贵州落成启用.[EB/OL](2016-9-25)[2023-4-1].

https://www.cas.cn/zt/kjzt/fast/zxjz/201609/t20160925_4575830.shtml

[3]中国科学院国家天文台.平方公里阵列射电望远镜(SKA).[EB/OL](2022-8-24)[2023-4-1].

https://www.nao.cas.cn/njl/xm/202204/t20220421_6434570.html

[4]中国科学院.科学时报:VLBI——深空探测的重要手段.[EB/OL].(2007-12-11)[2023-4-1].

https://www.cas.cn/zt/jzt/kyzt/scyqtcgcxgbd/200712/t20071211_2665222.shtml

文章|祁春玲

审核|杨一川

排版|周春宇

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