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上知天文十四天文爱好者必须了解的天文望远镜射电篇

  前面文章(《上知天文》十三、你必须了解的天文望远镜-光学篇)我们介绍了光学天文望远镜,本文主要介绍射电天文望远镜的基本知识。
  提到射电望远镜就不能不提小伙伴们耳熟能详的应该是咱们国家的fast天文望远镜,以及上个月(2019年4月10日)独领风骚的事件视界望远镜EHT,后者成功拍摄出人类首张黑洞照片。
  射电望远镜(英文名称radio telescope)是指接收天体射电波段辐射的望远镜,可以测量天体射电的强度、频谱及偏振等量 。不论以上哪种射电望远镜,它们的原理都差不多。星星照射过来一束电磁波之后,被望远镜的镜面反射,聚焦在焦点处,这个就跟牛顿反射式望远镜的光路差不多。
  射电望远镜的外形各异,有固定在地面上的单一口径的球面射电望远镜;还有那种带云台的,能全方位转动的,这种射电望远镜的样子,跟我们家里用的卫星电视接收天线类似;也有那种网状,由金属杆制成的射电望远镜(米波、分米波射电望远镜)。
  图14.1 北京密云国家天文台射电望远镜旋转抛物面
  射电望远镜绝大多数都是使用旋转抛物面做反射面,这是因为这样形状的反射面,更容易实现同相聚焦。均方误差
  制作一个大的射电望远镜对精度要求还是很高的,通常要求这个实际的抛物面跟理想抛物面的均方误差要小于λ/16~λ/10之间,只有这样,才能让这个射电望远镜满足工作条件,在波长大于λ的射电波段上有效工作。可见我国的fast射电望远镜的制作难度有多高了。最小功率
  按照现有的技术水平要求最弱的电平一般需要达到10~20W,天体发射过来的射电波经过反射面汇聚到焦点处放大到10~1000倍,变换成中频,用电缆传送到控制室,然后进一步放大、检波,最后进行特定研究方式的记录、处理和显示。空间分辨率和灵敏度
  空间分辨率是望远镜区分天球上两个彼此靠近的射电源的能力。灵敏度是反应射电望远镜探测微弱射电源的能力。跟前文我们提到的光学望远镜一样,射电望远镜同样要求有更高的空间分辨率和灵敏度。连续孔径射电望远镜
  主要代表是采用单盘抛物面天线的经典式射电望远镜。按机械装置和驱动方式,连续孔径射电望远镜(它通常又是非连续孔径的基本单元)还可分为三种类型。
  1、全可转型或可跟踪型可在两个坐标转动,分为赤道式装置和地平式装置两种,如同在可跟踪抛物面射电望远镜中使用的。
  2、部分可转型可在一坐标(赤纬方向)转动,赤经方向靠地球自转扫描,又称中星仪式(见带形射电望远镜)。
  3、固定型主要天线反射面固定,一般用移动馈源(又称照明器)或改变馈源相位的方法。
  图14.2 fast天文望远镜非连续孔径射电望远镜
  以干涉技术为基础的各种组合天线系统。20世纪60年代产生了两种新型的非连续孔径射电望远镜——甚长基线干涉仪和综合孔径射电望远镜,前者具有极高的空间分辨率,后者能获得清晰的射电图像。世界上最大的可跟踪型经典式射电望远镜其抛物面天线直径长达100米,安装在德国马克斯·普朗克射电天文研究所;世界上最大的非连续孔径射电望远镜是甚大天线阵,安装在美国国立射电天文台。
  为了观测弱射电源的需要,射电望远镜必须有较大孔径,并能对射电目标进行长时间的跟踪或扫描。此外,还必须综合考虑设备的造价和工艺上的现实性。
  射电观测在很宽的频率范围进行,检测和信息处理的射电技术又远较光学波段灵活多样,所以射电望远镜种类繁多,还可以根据其他准则分类:诸如按接收天线的形状可分为抛物面﹑抛物柱面﹑球面﹑抛物面截带﹑喇叭﹑螺旋﹑行波﹑偶极天线等射电望远镜;按方向束形状可分为铅笔束﹑扇束﹑多束等射电望远镜;按工作类型可分为全功率﹑扫频﹑快速成像等类射电望远镜;按观测目的可分为测绘﹑定位﹑定标﹑偏振﹑频谱﹑日象等射电望远镜。
  图14.3 美国eva射电望远镜群我国的射电天文望远镜
  1、2012年,我国在上海佘山建成了亚洲最大,同类型望远镜总总体性能位列全球第四的65米射电天文望远镜。
  2、"中国天眼"是一个500米口径球面射电望远镜,由我国天文学家南仁东于1994年提出构想,历时22年建成,于2016年9月25日落成启用。是由中国科学院国家天文台主导建设,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。综合性能是著名的射电望远镜阿雷西博的十倍。截至2018年9月12日,500米口径球面射电望远镜已发现59颗优质的脉冲星候选体,其中有44颗已被确认为新发现的脉冲星。非连续孔径射电望远镜(EHT)史无前例的壮举-人类首张黑洞照片的拍摄
  2019年4月10日晚,数百名科学家参与合作的"事件视界望远镜(EHT)"项目在全球多地同时召开新闻发布会,发布了人类拍到的首张黑洞照片。该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。图中心的暗弱区域即为"黑洞阴影"。
  图14.4 EHT拍摄的首张M87黑洞照片
  2015年1月13日,阿塔卡玛探险者实验(APEX)与阿塔卡玛大型毫米波天线阵(ALMA)成功联合观测,组成一个2.08公里的虚拟射电望远镜,如今与7000公里外的南极射电望远镜(SPT)进行了连接。它们通过甚长基线干涉技术(VLBI)连接在一起。更大的望远镜可以进行更敏锐的观测,而干涉可以让多个相距遥远额望远镜像一个望远镜一样工作,并且其尺度与望远镜之间的距离——也被称为"基线"——一样大。使用VLBI,可以通过尽可能增大望远镜的间隔而得到更清晰的观测结果。事件视界望远镜(EHT)将室女A星系(M87)中心的黑洞作为观测目标,并成功捕捉到了黑洞周围环境的清晰图像。
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