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          閱讀 8431 次 歷史版本 6個 創建者:和sky做鄰居 (2011/5/20 11:27:29)  最新編輯:何凱霖 (2016/1/3 14:22:26)
          射電望遠鏡
          拼音:shèdiàn wàngyuǎnjìng (Shedian WWangyuanjing)
          英文:radio telescope
          同義詞條:radio telescope ,射電天文望遠鏡
          目錄[ 隱藏 ]
          射電望遠鏡
          射電望遠鏡
           


            射電望遠鏡是現代天文學中用來觀測和研究來自天體的射電波的基本設備,包括收集射電波的定向天線,放大射電信號的高靈敏度接收機,信息記錄、處理和顯示系統等。射電望遠鏡的外形差別很大,有固定在地面的單一口徑的球面射電望遠鏡,有能夠全方位轉動的類似衛星接收天線的射電望遠鏡,有射電望遠鏡陣列,還有金屬桿制成的射電望遠鏡。射電望遠鏡用來測量表征射電基本特性的三個量:強度、頻譜和偏振。天線(拋物面或球面天線)口徑越大,分辨率越高,可觀測天體細節和更遠的天體。

           

          射電望遠鏡的歷史

           
          射電望遠鏡陣列
                     射電望遠鏡陣列
            1931年,美國貝爾實驗室的央斯基用天線陣接收到了來自銀河系中心的無線電波。央斯基用的是長30.5米、高3.66米的旋轉天線陣,在14.6米波長取得了30°寬的“扇形”方向束。1937年,美國無線電工程師雷伯建造直徑9.45米的拋物反射面天線,并在1939年接收到了來自銀河系中心的無線電波,在1.87米波長取得了12°的“鉛筆形”方向束,并且根據觀測結果繪制了第一張射電天圖。射電天文學從此誕生。雷伯使用的那架天線是世界上第一架專門用于天文觀測的射電望遠鏡。

            在第二次世界大戰結束后,隨著一些軍用雷達和有關專家轉向射電天文觀測,射電望遠鏡才有了顯著的發展。1946年,英國曼徹斯特大學開始建造直徑66.5米的固定拋物面射電望遠鏡,1955年建成當時世界上最大的76米直徑的可轉拋物面射電望遠鏡。與此同時,澳、美、蘇、法、荷等國也競相建造大小不同和形式各異的早期射電望遠鏡。除了一些直徑在10米以下、主要用于觀測太陽的設備外,還出現了一些直徑20~30米的拋物面望遠鏡,發展了早期的射電干涉儀和綜合孔徑射電望遠鏡。

            射電天文望遠鏡的極限分辨率取決于望遠鏡的口徑和觀測所用的波長。口徑越大,波長越短,分辨率越高。由于無線電波的波長要遠遠大于可見光的波長,因此射電望遠鏡的分辨本領遠遠低于相同口徑的光學望遠鏡,而射電望遠鏡的天線又不能無限做大。這在射電天文學誕生的初期嚴重阻礙了射電望遠鏡的發展。

            直到20世紀60年代,相繼建成的有美國國立射電天文臺的42.7米、加拿大的45.8米、澳大利亞的64米全可轉拋物面、美國的直徑305米固定球面、工作于厘米和分米波段的射電望遠鏡(見固定球面射電望遠鏡)以及一批直徑10米左右的毫米波射電望遠鏡。因為可轉拋物面天線造價昂貴,固定或半固定孔徑形狀(包括拋物面、球面、拋物柱面、拋物面截帶)的天線的技術得到發展,從而建成了更多的干涉儀和十字陣(見米爾斯十字)。1962年,英國劍橋大學卡文迪許實驗室的馬丁·賴爾(Ryle)利用干涉的原理,發明了綜合孔徑射電望遠鏡,大大提高了射電望遠鏡的分辨率。其基本原理是:用相隔兩地的兩架射電望遠鏡接收同一天體的無線電波,兩束波進行干涉,其等效分辨率最高可以等同于一架口徑相當于兩地之間距離的單口徑射電望遠鏡。賴爾因為此項發明獲得1974年諾貝爾物理學獎。60年代末至70年代初,不僅建成了一批技術上成熟、有很高靈敏度和分辨率的綜合孔徑射電望遠鏡,還發明了有極高分辨率的甚長基線干涉儀這種所謂現代射電望遠鏡。20世紀60年代天文學取得了四項非常重要的發現:脈沖星類星體宇宙微波背景輻射星際有機分子,被稱為“四大發現”。這四項發現都與射電望遠鏡有關。
          阿雷西博天文臺射電望遠鏡
          阿雷西博天文臺射電望遠鏡

            另一方面還在計算技術基礎上改進了經典射電望遠鏡天線的設計,建成直徑100米的大型精密可跟蹤拋物面射電望遠鏡(德意志聯邦共和國波恩附近),建成或即將建成直徑 20~45米的毫米波射電望遠鏡。甚長基線干涉儀的分辨率已達到萬分之幾角秒,遠遠超過了光學天文手段。而綜合孔徑射電望遠鏡,對射電源精細結構的分辨率,已達到1″量級,可與光學望遠鏡所拍照片的像點媲美。經典射電望遠鏡最高分辨率,也可以到10″量級。最靈敏的射電望遠鏡的最小可檢測流量密度為1毫央,即可檢測到放在月球上帶寬約2兆赫、功率為10-3瓦的小型發射機發出的信號。隨著超低溫參量放大器和量子放大器以及電子計算機的廣泛使用,可以說目前最靈敏的射電望遠鏡的靈敏度主要已不是受接收機噪聲的限制,而是受地面噪聲和背景噪聲的影響了。

            目前射電天文學領域已經廣泛應用長基線的干涉技術,將遍布全球的射電望遠鏡綜合起來,獲得了等效口徑相當于地球直徑量級的射電望遠鏡。美國建設了VLBA,歐洲建設了EVN,二者組成了國際VLBI網。

          基本原理

           
            經典射電望遠鏡的基本原理和光學反射望遠鏡相似,投射來的電磁波被一精確鏡面反射后,同相到達公共焦點。用旋轉拋物面作鏡面易于實現同相聚焦,因此,射電望遠鏡天線大多是拋物面。射電望遠鏡表面和一理想拋物面的均方誤差如不大于λ/16~λ/10,該望遠鏡一般就能在波長大于λ的射電波段上有效地工作。對米波或長分米波觀測,可以用金屬網作鏡面;而對厘米波和毫米波觀測,則需用光滑精確的金屬板(或鍍膜)作鏡面。從天體投射來并匯集到望遠鏡焦點的射電波,必須達到一定的功率電平,才能為接收機所檢測。目前的檢測技術水平要求最弱的電平一般應達10-20瓦。射頻信號功率首先在焦點處放大10~1,000倍,并變換成較低頻率(中頻),然后用電纜將其傳送至控制室,在那里再進一步放大、檢波,最后以適于特定研究的方式進行記錄、處理和顯示。

            基本指標 射電天文所研究的對象,有太陽那樣強的連續譜射電源,有輻射很強但極其遙遠因而角徑很小的類星體,有角徑和流量密度都很小的恒星,也有頻譜很窄、角徑很小的天體微波激射源等。為了檢測到所研究的射電源的信號,將它從鄰近背景源中分辨出來,并進而觀測其結構細節,射電望遠鏡必須有足夠的靈敏度和分辨率。

            分辨率指的是區分兩個彼此靠近的相同點源的能力,因為兩個點源角距須大于天線方向圖的半功率波束寬度時方可分辨,故宜將射電望遠鏡的分辨率規定為其主方向束的半功率寬θ。θ為電波的衍射所限,對簡單的射電望遠鏡,它由天線孔徑的物理尺寸D和波長λ決定。當孔徑大于波長時,可由下面簡單關系式近似給出:

            θ≈1.22λ/D(弧度)≈4190λ/D(角分)≈2.516×105λ/D(角秒)。

            靈敏度取決于射電望遠鏡天線有效面積A(平方米)、接收機和天線的噪聲性能,即系統噪聲溫度TS(K)、接收機有效噪聲帶寬△v(赫)和信號檢測積分時間τ(秒)。通常對經典射電望遠鏡,用可檢測的最小功率流量密度Smin來表征其靈敏度,并有如下關系:

            式中k=1.38×10-23焦耳/K為玻耳茲曼常數。有時用最小天線溫度ΔTmin來表示射電望遠鏡系統的靈敏度:

            式中M為常數,ΔTmin與天線的有效接收面積A無關,對描述展源亮度很有用。實際靈敏度因增益起伏、干擾和采用的信號處理類型而劣于上式所給出的值。

          射電望遠鏡類型

           
            射電望遠鏡按設計要求可以分為連續和非連續孔徑射電望遠鏡兩大類。為了觀測弱射電源的需要,射電望遠鏡必須有較大孔徑,并能對射電目標進行長時間的跟蹤或掃描。此外,還必須綜合考慮設備的造價和工藝上的現實性。按機械裝置和驅動方式,連續孔徑射電望遠鏡(它通常又是非連續孔徑的基本單元)還可分為三種類型:
          洛沸爾射電望遠鏡
                      洛沸爾射電望遠鏡

            ①全可轉型或可跟蹤型:可在兩個坐標轉動,分為赤道式裝置和地平式裝置兩種,如同在可跟蹤拋物面射電望遠鏡中使用的。

            ②部分可轉型:可在一坐標(赤緯方向)轉動,赤經方向靠地球自轉掃描,又稱中星儀式(見帶形射電望遠鏡)。

            ③固定型:主要天線反射面固定,一般用移動饋源(又稱照明器)或改變饋源相位的方法,使單反射面或天線陣的方向束移動。

            射電觀測在很寬的頻率范圍進行,檢測和信息處理的射電技術又遠較光學波段靈活多樣,所以射電望遠鏡種類繁多。還可以根據其他準則分類:諸如按接收天線的形狀可分為拋物面、拋物柱面、球面、拋物面截帶、喇叭、螺旋、行波、偶極天線等射電望遠鏡;按方向束形狀可分為鉛筆束、扇束、多束等射電望遠鏡;按工作類型可分為全功率、掃頻、快速成像等類射電望遠鏡;按觀測目的可分為測繪、定位、定標、偏振、頻譜、日象等射電望遠鏡。關于非連續孔徑射電望遠鏡,主要是各類射電干涉儀。

          著名射電望遠鏡


            位于美國波多黎各島上的阿雷西博望遠鏡,為固定在天然火山口當中的單口徑球面天線,口徑305米,后擴建為350米。
          甚大天線陣
                         甚大天線陣

            位于美國新墨西哥州沙漠中的甚大天線陣VLA),由27面架設在鐵軌上的口徑25米的天線組成,排列成Y字形。

            日本的VSOP,利用日本HALCA衛星攜帶的8米射電望遠鏡與地面上的射電望遠鏡組成干涉儀。

            位于法國南賽Nancay觀測站,1964年建成。

            籌建中的平方千米陣SKA),2011年英國焦德雷爾班克射電天文臺被選為SKA設備的全球總部。2012年,國際社會將最終決定SKA陣列的最終選址地點。

            中國貴州在建的的500米球面望遠鏡FAST

          在建項目

          亞洲最大
          2012年3月,65米口徑可轉動射電天文望遠鏡工程在上海佘山腳下緊張施工,這將是亞洲最大的該類型射電望遠鏡,總體性能在國際上處于第四位。據介紹,這臺望遠鏡屬于中國科學院和上海市政府重大合作項目,已于2012年10月28日在滬啟動。
          性能參數
          據了解,這臺65米的射電望遠鏡是中國科學院和上海市人民政府于2008年10月底聯合立項的重大合作項目。
          接收范圍覆蓋8個波段,總體性能列全球第四
          這臺65米的射電天文望遠鏡如同一只靈敏的耳朵,能仔細辨別來自宇宙的射電信號。它覆蓋了從最長21厘米到最短7毫米的8個接收波段,涵蓋了開展射電天文觀測的厘米波波段和長毫米波波段,是中國目前口徑最大、波段最全的一臺全方位可動的高性能的射電望遠鏡,總體性能僅次于美國的110米射電望遠鏡、德國的100米射電望遠鏡和意大利的64米射電望遠鏡。
          望遠鏡采用的修正型卡塞格倫天線能在方位和俯仰兩個方向轉動,下方軌道上有6組共12個輪子驅動天線的方位轉動,上方的俯仰大齒輪控制天線的俯仰運動,這使得望遠鏡可以以高精度指向需要觀測的天體和航天器,其最高指向精度優于3角秒。
          望遠鏡的主反射面面積為3780平方米(相當于9個標準籃球場),由14圈共1008塊高精度實面板拼裝成,每塊面板單元精度達到0.1毫米,代表了國內大尺度高精度面板設計與制造技術的最高水平。
          主反射面的安裝則采用了國內首創的主動面技術,在面板與天線背架結構的連接處安裝有1104臺高精度促動器,用以補償跟蹤觀測時重力引起的反射面變形,提高高頻觀測的天線接收效率。促動器的單位精度可達15微米,即一根頭發絲直徑的一半左右。
          望遠鏡坐落的軌道由無縫焊接技術全焊接而成。這是國內首次采用全軌道焊接技術,解決了軌道焊接變形等多項技術難題。
          信號距地球3.7萬光年
          養在佘山“深閨”數年的一位探索宇宙奧秘的世界級“高手”,昨天正式“出山”。不必受限于天氣的好壞,憑借它多個波段的“耳朵”,這座亞洲最大、總體性能世界第四的大型射電望遠鏡,可以靈敏地“傾聽”來自宇宙深處各類天體發出的射電信號,進而展開測量和研究。
          昨天下午,該望遠鏡接收到了首個信號,它來自距離地球3萬7千光年的區域。
          全球最大
          為了爭取國際最大規模的射電望遠鏡合作計劃來華,中國正在貴州省“筑巢引鳳”,建設全球最大的射電望遠鏡。這是中國2007年批準立項的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)項目,日前已經在貴州省開始基建,項目總投資6.27億元,建設期5年半,預計2014年開光。FAST建成后,不僅將成為世界第一大單口徑天文望遠鏡,并將在未來20年至30年內保持世界領先地位。
          中科院院士、原國際天文學聯合會副主席葉叔華表示,FAST最大的技術成就是解決了球面鏡隨時變拋面鏡這一難點,中國是世界上首個掌握該技術的國家。選擇貴州省,是因為要做一平方公里大口徑的射電望遠鏡,估計要有30個望遠鏡拼在一起。中國貴州有很多巨大的山谷,足可以放這樣一個望遠鏡。
          科學家們自1994年提出項目建設規劃后,就苦苦搜尋、反復論證近10年,才確認大射電望遠鏡FAST探測基地落戶在貴州省平塘縣一片名為大窩凼的喀斯特洼地。“大窩凼不僅具有一個天然的洼地可以架設望遠鏡,而且喀斯特地質條件可以保障雨水向地下滲透,而不在表面淤積,腐蝕和損壞望遠鏡”,FAST工程辦公室副主任張海燕說。 這里是喀斯特地貌所特有的一大片漏斗天坑群——它就像一個天然的“巨碗”,剛好盛起望遠鏡如30個足球場面積大的巨型反射面,望遠鏡建成后,將會填滿這個山谷。
          觀測不易受地面電磁干擾
          由于望遠鏡坐落于“大窩凼”凹坑內,所以非常適合觀測。另外,大射電望遠鏡的觀測雖然不受天氣陰晴影響,但在選址中對無線電環境要求很高。調頻電臺、電視、手機以及其他無線電數據的傳輸都會對射電望遠鏡的觀測造成干擾,就好像在交頭接耳的會議上無法聽清發言者講話一樣。大射電望遠鏡項目要求,臺址半徑5公里之內必須保持寧靜,電磁環境不受干擾。
          張海燕說,大窩凼附近沒有集鎮和工廠,在5公里半徑之內沒有一個鄉鎮,25公里半徑之內只有一個縣城,是最為理想的選址。有了FAST,邊遠閉塞的喀斯特山區將變成世人矚目的國際天文學術中心,成為把貴州展現給世界的新窗口。

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