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射电望远镜:观测宇宙不靠镜片靠电磁波

更新日期:2019/1/22来源:上海航宇科普中心

美国宇航局计划研制新的射电望远镜,用以替代老旧的射电望远镜,新研制的望远镜不但能捕捉深空探测器的信号和行星发出的信号,甚至还可能发现外星生命。那么,什么是射电望远镜呢?


我国在贵州建造的FAST 望远镜

“阿塔卡玛”是目前世界上最强的综合孔径射电望远镜

无需镜片的望远镜

大家对光学天文望远镜都不陌生,它是人类观测宇宙物质的主要工具之一。这种望远镜的设计万变不离其宗,现代大型望远镜上都能看到牛顿时代反射望远镜的影子。

虽然,光学望远镜使用可见光以及邻近的红外波段进行观测,但宇宙之大无奇不有,天体的很多辐射并不在可见光波段,如果只用光学望远镜观测太空,必定会错过很多宇宙大新闻。因此,射电望远镜就是很好的补充。

射电望远镜是通过接收无线电波,用巨大的抛物面天线反射和汇聚电磁波的方式,实现对航天器和遥远天体的观测,因此,它更像是雷达而不是传统的光学望远镜。这种望远镜的出现并非是天文学家推动的结果,1932年美国贝尔实验室的卡尔·央斯基研制出了世界最早的射电望远镜,它是偶极子和反射器的阵列,直径30米,高度约6米,接收频率20.5兆赫兹的无线电波。

央斯基造出这台天线是为了寻找识别干扰电话服务的静电源,结果意外发现了一个微弱的嘶嘶声,并以23小时56分为周期重复,他检查后确认这是来自太阳系外的干扰信号,通过进一步研究发现,它来自射手座方向也就是银河系中心。

不识庐山真面目,只缘身在此山中。地球位于银河系旋臂上,距离银心遥远而且要经过无数的星际物质阻挡,可见光波段是看不到银心的,但无心插柳的射电望远镜则能实现观测。

1937年,美国人格罗特·雷博造出了第一部碟形天线的射电望远镜,他不仅重复了央斯基的工作,对银心进行了观测,还对天空进行普查,绘制了人类第一幅射电全天图。

简而言之,射电望远镜通过接收电磁波实现观测,但由于它工作电磁波的波段很长,致使它的外形和结构与光学望远镜截然不同。它虽然没有我们常见的镜筒,但仍然是人类观测宇宙和进行深空探测的得力助手。

类似的原理不一样的技术

常见的射电望远镜是碟形抛物面,例如,我国研制的“天眼”FAST就是一个典型代表。虽然外形和传统光学望远镜大相径庭,但基本原理是类似的。

光学望远镜通过镜片折射或是镜面发射汇聚星光,把在太空运行的航天器和遥远的天体放大一定的倍率,从而让原本肉眼无法看到或看不清楚的物体变得清晰可见。

相反,深空探测器和遥远天体的电磁波经过射电望远镜天线汇聚,接收机检测聚焦的信号并传递到控制室,经过进一步的放大和滤波,形成适合科研的观测数据后进行处理、显示和记录。

射电望远镜的类型很多,既有天线固定式也有全可动式,我国不仅在贵州建造了世界上最大固定式,500米单口径射电望远镜FAST,还在黑龙江佳木斯市建造了全可动式,66米口径的亚洲最大射电望远镜。目前,世界上最大的可动式射电望远镜则是美国绿岸镇的100米定向天线,刘慈欣的小说《三体》中提到的红岸基地,命名上就参考对应了美国绿岸镇射电望远镜。

射电望远镜的基本指标分为角分辨率和灵敏度,角分辨率是分辨出两个靠近射电源的能力,这个概念和光学望远镜完全一样,主镜直径越大、工作波长越小,分辨率就越高。灵敏度是射电望远镜最低可探测的能量值,它和光学望远镜类似,集光面积越大汇聚的能量越多,就越能探测到更微弱的信号,也就是灵敏度越高。

需要说明的是,光学望远镜提高集光面积靠的是用大口径镜片聚光,射电望远镜靠的是更大的天线汇聚电磁波,天线面积越大灵敏度越高。

多种射电望远镜齐头并进

随着人类发射的深空探测器越飞越远和对观测更遥远宇宙天体的需要,数百米口径的射电望远镜几乎已经达到了建造极限,因此,利用多地建造的射电望远镜综合起来观测将成为趋势。

综合孔径射电望远镜,也被形象地称为射电阵列望远镜。1960年,英国人马丁·赖尔发明了综合孔径射电望远镜,他利用相距很远的两部射电望远镜进行波束干涉,其合成的孔径相当于两地距离。

目前,世界上最强的综合孔径射电望远镜当属智利的阿塔卡玛望远镜,它由美国、欧洲、加拿大、日本、智利等多国合作建成,5412米直径和127米直径的射电望远镜构成一个干涉阵列,天线之间最大距离可达16公里,工作在毫米波和亚毫米波波段。

由于干涉基线很长,整个阿塔卡玛系统的角分辨率可达0.01角秒,或者说能看清500公里外的一分硬币,这比哈勃光学望远镜的0.1角秒还要高5倍。该综合孔径射电望远镜从2005年开始建造,2013年开始运行,它是目前世界上最强大的射电望远镜之一。

如今,人类的雄心并不会在阿塔卡玛望远镜前停下,包括美国宇航局、俄罗斯、欧空局、中国、日本在内的多个国家和组织,正准备建造空前规模的平方公里阵列射电望远镜(SKA)。

SKA正如它的名字所言,天线面积将达到1平方公里。SKA将分布在距离3000公里的广阔地域内,其中高中频天线主要布设在南非,而低频天线放在澳大利亚,凭借1平方公里的天线面积和巨大的距离,SKA的灵敏度和分辨率都极为出色,它的出现不逊色于第一部天文望远镜出现带来的跨时代飞跃。

        来源:中国航天科普馆