龐大的射電望遠(yuǎn)鏡家族

□ 卞毓麟

射電望遠(yuǎn)鏡的歷史雖然還不足80年，卻經(jīng)歷了從小口徑到大口徑、從單天線到多天線、從米波段到毫米波段、從地面到太空的發(fā)展過程，就步入了鼎盛時期。時至今日，盡管射電望遠(yuǎn)鏡的種類五花八門，但基本結(jié)構(gòu)都是由天線、接收機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、支撐結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)組成。射電望遠(yuǎn)鏡的品質(zhì)主要取決于靈敏度和分辨率，天線口徑越大，靈敏度就越高，分辨率也越高。

建造大型射電望遠(yuǎn)鏡，面臨巨大的技術(shù)困難。要使碩大的天線運(yùn)轉(zhuǎn)自如、準(zhǔn)確地指向天空中的任選方向、精確跟蹤觀測目標(biāo)都決非易事，而天線表面的加工精度要達(dá)到波長的1/20則更為困難。天線的自重、風(fēng)力和溫度的變化還會導(dǎo)致天線表面變形。天線越大、觀測波長越短，問題就越突出。那么，這些困難是怎樣克服的呢？

大型單天線射電望遠(yuǎn)鏡

世界上現(xiàn)有兩架口徑百米級的可跟蹤射電望遠(yuǎn)鏡，一架在德國，一架在美國。

1968年，德國開始建造口徑100米的可跟蹤射電望遠(yuǎn)鏡，而且盡量把觀測波段擴(kuò)展至毫米波。望遠(yuǎn)鏡坐落在德國波恩市西南的埃費(fèi)爾斯貝格。1972年8月此鏡啟用，成為當(dāng)時口徑最大的可跟蹤射電望遠(yuǎn)鏡。它的100米大天線由2372塊長3米、寬1.2米的金屬板排列成17個同心圓環(huán)構(gòu)成，總質(zhì)量達(dá)3200噸。每塊金屬板下面都安裝可調(diào)節(jié)的特殊支撐結(jié)構(gòu)，根據(jù)精確測出的天線表面形變數(shù)據(jù)，可以通過機(jī)械裝置調(diào)整面板，使整個天線表面保持應(yīng)有的拋物面形狀。這是射電望遠(yuǎn)鏡歷史上首次采用“主動反射面”技術(shù)。埃費(fèi)爾斯貝格射電望遠(yuǎn)鏡的觀測波段從3毫米～90厘米。它的巡天觀測發(fā)現(xiàn)了很多相當(dāng)弱的射電源，并率先在毫米波段觀測到脈沖星的輻射。對射電星系、星系核、分子譜線源等也都有上佳的觀測結(jié)果。

1972年，美國格林班克國家射電天文臺建成一架口徑91.5米射電望遠(yuǎn)鏡，觀測成果也很豐碩。1988年11月它突然倒塌，美國天文學(xué)家遂籌劃建造一臺世上最好的可跟蹤射電望遠(yuǎn)鏡。此時德國的埃費(fèi)爾斯貝格100米射電望遠(yuǎn)鏡已有近20年的歷史，美國科學(xué)家決定也造一架口徑100米的射電望遠(yuǎn)鏡，但在天線“表面保全”技術(shù)、觀測波段和天線效率等方面都要超越德國。這架望遠(yuǎn)鏡的天線由2004塊金屬板拼成，采用自動化程度很高的主動反射面系統(tǒng)，可保持表面的形狀與理想形狀相差不超過0.22毫米！望遠(yuǎn)鏡的觀測波段從2.6毫米～3米。整個射電望遠(yuǎn)鏡放置在直徑64米的軌道上，可進(jìn)行水平方向的運(yùn)轉(zhuǎn)。仰角方面的運(yùn)轉(zhuǎn)由一個巨型齒輪來實(shí)現(xiàn)，可以觀測仰角5°以上的天空。這架望遠(yuǎn)鏡于2000年建成，世稱格林班克望遠(yuǎn)鏡（簡稱GBT），又譯綠岸望遠(yuǎn)鏡。

20世紀(jì)60年代初，美國建成了口徑305米的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡。它隸屬康奈爾大學(xué)，迄今仍是世上口徑最大的固定式射電望遠(yuǎn)鏡，也是靈敏度最高的單天線望遠(yuǎn)鏡。它的天線以一個喀斯特地貌的碗形大坑作為底座，由固定巖層上的鋼索網(wǎng)支撐。望遠(yuǎn)鏡是固定的，不能跟蹤觀測。天線是球面的，來自某個方向的射電波從被照射到的那部分球面反射到一條焦線上。不同的方向有不同的焦線，因此可以觀測不同方向上的射電源。望遠(yuǎn)鏡有一個龐大復(fù)雜但運(yùn)轉(zhuǎn)靈活的饋源平臺。平臺重約900噸，懸掛在球面反射面上空137米處，由18根鋼索拉住，鋼索栓在3座高約100米的鐵塔上。加固這些鐵塔，就用了8321立方米的混凝土。阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡成果驕人，例如1974年美國天文學(xué)家約瑟夫·泰勒和拉塞爾·赫爾斯用它發(fā)現(xiàn)了第一個射電脈沖雙星系統(tǒng)，并因此榮獲1993年度的諾貝爾物理學(xué)獎。

口徑100米的埃費(fèi)爾斯貝格射電望遠(yuǎn)鏡

口徑305米的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡

毫米波和亞毫米波望遠(yuǎn)鏡

毫米波的波長范圍為1毫米～10毫米，亞毫米波的波長范圍為0.35毫米～1毫米。絕大部分星際分子譜線都處在毫米波和亞毫米波波段，這促進(jìn)了毫米波和亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡的誕生和發(fā)展。

地球大氣層沒有為毫米-亞毫米波段充分敞開窗口。氧和水汽對某些波長輻射的吸收，導(dǎo)致只能讓另一些波長的輻射通過，或者說只是開了一些“小窗口”。地球?qū)α鲗铀吭蕉?，這些小窗口的透明度就越差。因此，毫米波天文臺都設(shè)在海拔2000米以上，亞毫米波天文臺則應(yīng)在海拔4000米以上。

早期的毫米波射電望遠(yuǎn)鏡口徑都很小。一批口徑13.7米的毫米波射電望遠(yuǎn)鏡算是中等的了，現(xiàn)在仍在中國、美國、韓國、西班牙、巴西等國服役。當(dāng)今最大的是日本野邊山的45米口徑毫米波射電望遠(yuǎn)鏡，工作波長為1毫米～1厘米。其主反射面由600塊面板拼成，采用主動反射面系統(tǒng)，整個天線表面與理想拋物面相差僅約90微米。

亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡的建造更困難，因此天線口徑都比較小。世上口徑最大的亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡于1983年開始建造，1987年竣工，天線口徑為15米，坐落在美國夏威夷的莫納克亞山上。它以著名物理學(xué)家麥克斯韋（James Clerk Maxwell）的名字命名，簡稱 JCMT。其拋物面天線由276塊金屬面板組成，面板表面精度優(yōu)于50微米。為保持和控制天線周圍的環(huán)境溫度，望遠(yuǎn)鏡置于一個天文圓頂中，屋頂和門均可隨時打開。

日本野邊山的45米口徑毫米波射電望遠(yuǎn)鏡（右上角）和由84面天線組成的射電日像儀

麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（JCMT）

劍橋大學(xué)的5千米綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡

美國的甚大陣綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡（VLA）

“綜合孔徑”的創(chuàng)新

單天線的射電望遠(yuǎn)鏡越做越大，其分辨率卻還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，而且成像能力很差。雙天線的射電干涉儀大大提高了分辨率，但仍不能像光學(xué)望遠(yuǎn)鏡那樣給出天體的視覺圖像。英國天文學(xué)家賴爾發(fā)明綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，逐步實(shí)現(xiàn)了射電天文觀測在分辨率和成像能力兩方面都趕上和超越光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡的目標(biāo)。

“綜合孔徑”這一概念，可以概括為“化整為零，聚零為整”八個大字。一面大型天線可以分解為許許多多小單元。用大天線觀測實(shí)際上是由這些小單元組成的眾多雙天線干涉儀的觀測之總和。賴爾發(fā)現(xiàn)，只需用拆分大天線所得的一部分有代表性的小單元進(jìn)行觀測，就能獲得用大天線觀測所得的天體射電輻射強(qiáng)度分布的信息；對于穩(wěn)定的射電源，這些觀測可以非同時進(jìn)行。這就是“化整為零”的含義。觀測資料的分析處理，則是“聚零為整”的過程。

最簡單的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡可以用兩面天線組成。一面固定，以它為中心畫一個圓，等效于一個“大天線”；另一面天線可以移動，逐次放到“等效大天線”的各個位置上，每放一處都進(jìn)行一次射電干涉測量。當(dāng)然，這種觀測也可以由許多天線來實(shí)現(xiàn)，幾面固定，幾面移動，甚至全部都固定。測得“等效大天線”上各種間距和所有方向的相關(guān)信號后，對測量資料進(jìn)行特定的數(shù)學(xué)變換，即可獲得被觀測天區(qū)的射電天圖。

1963年，英國劍橋大學(xué)建成基線長1.6千米的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，得到4.5′的分辨率。1971年，劍橋大學(xué)又建成等效直徑5千米的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。在5千米長的東西基線上，排列著8面口徑13米的拋物面天線，其中4面固定，4面可沿鐵軌移動。觀測資料經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，便得到一幅所觀測天區(qū)的射電源分布圖，宛如為該天區(qū)拍了一幅照片。該望遠(yuǎn)鏡容許工作到2厘米波長，所得角分辨率在1″上下，可與高山上的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡媲美。發(fā)明綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡是天文技術(shù)的重要里程碑，賴爾為此而榮獲1974年度的諾貝爾物理學(xué)獎。

劍橋大學(xué)5千米綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡碩果累累。天鵝座射電源的圖像是它的經(jīng)典之作：在遙遙相對的兩個延展射電源之間，有一個致密的點(diǎn)源——星系核，后者正連續(xù)不斷地向兩個延展射電源提供著能量。

百花齊放的“綜合孔徑”

賴爾的成功在國際上引發(fā)了“綜合孔徑”百花齊放的局面。就波段而言，有以米波、分米波、厘米波為主的，還有以毫米波、甚至亞毫米波為主的綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡。

美國的甚大陣（VLA）是迄今最先進(jìn)的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。它從1961年開始籌劃，經(jīng)過20年的努力，終于屹立在新墨西哥州的一個荒原上。望遠(yuǎn)鏡由27面直徑25米的可移動拋物面天線組成，安置在呈Y形的3條臂上，每條臂上各有9面天線，可沿鐵軌移動，堪稱蔚為壯觀。其中2條臂長21千米，另一條長20千米。甚大陣天線的總接收面積達(dá)53000平方米，相當(dāng)于口徑130米的單天線，其最長基線是36千米。在最短工作波長0.7厘米處，最高分辨率達(dá)到0.05″，已大大優(yōu)于地面大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡！它在靈敏度、分辨率、成像速度和頻率覆蓋4個方面，全面超越了英國劍橋的5千米綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。

荷蘭的威斯特博爾克綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡（簡稱WSRT），落成的時間甚至比英國劍橋的5千米綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡還早，于1970年7月啟用。它由14面直徑25米的拋物面天線組成，沿東西向排列在長2.7千米的基線上。其中10面天線固定，4面可在鐵軌上移動，觀測波長范圍是3.4厘米～1.2米，靈敏度是劍橋5千米綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡的6.5倍。

澳大利亞綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡（簡稱ATCA）于1984年開建，1988年投入使用，正式名稱為“澳大利亞望遠(yuǎn)鏡致密陣”。它由6面直徑22米的天線組成，最長基線為6千米，觀測波段從3毫米～21厘米，是目前國際上主要用于毫米波觀測的最大綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡。

印度米波綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡（簡稱GMRT）于1994年建成，是當(dāng)今米波段靈敏度最高的望遠(yuǎn)鏡，位于德干高原上普納市以北80千米處。那里電磁干擾很小，非常適合米波射電觀測。望遠(yuǎn)鏡由30面直徑45米的拋物線天線組成，其中14面集中在約1平方千米的范圍內(nèi)，其余16面沿Y形的3條臂分布，最長基線25千米，總接收面積是甚大陣的3倍。

研究日面上五花八門的射電活動現(xiàn)象，需要集高空間分辨率、高時間分辨率、高頻率分辨率與高靈敏度于一身的射電望遠(yuǎn)鏡。1967年，澳大利亞率先建成一個此類設(shè)備——由96面天線組成的射電日像儀。1990年日本開始建造耗資18億日元的野邊山日像儀，1992年4月投入觀測。它由84面口徑80厘米的天線組成，呈T字型（見上圖），東西向基線490米，南北向基線220米。觀測波段從0.88厘米～1.76厘米，空間分辨率分別達(dá)10″和5″，可以獲得整個太陽的精細(xì)圖像，給出日面上的射電亮度分布。

世界上首個亞毫米波段成像的射電望遠(yuǎn)鏡，是美國的亞毫米波陣（簡稱SMA），坐落在夏威夷的毛納基山上，于1991年開始動工，2003年底正式啟用。建造亞毫米波綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡難度極大。不僅天線表面的加工精度要求極高，而且連接天線的饋線長度也不能有細(xì)微的變化。SMA由8面口徑6米的天線組成，最長基線為500米。它的天線表面精度已達(dá)15微米～20微米，但仍對觀測有不良影響，導(dǎo)致實(shí)際可用的天線面積減少。波長越短，影響越大。在0.43毫米波長上實(shí)際可用的天線面積僅有50%。

正在建造中的阿塔卡馬大型毫米波-亞毫米波陣（簡稱ALMA）坐落在智利北部海拔5000米的高原上。它的規(guī)模更大，第一步是由64面口徑12米的天線組成，第二步再增加12面天線。觀測波長從0.3毫米～1厘米，空間分辨率可達(dá)10毫角秒，勝過美國的甚大陣和光學(xué)波段的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。

澳大利亞綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡（ATCA）

阿塔卡馬大型毫米波-亞毫米波陣（ALMA）

歐洲甚長基線干涉網(wǎng)（EVN）

甚長基線干涉技術(shù)

在理論上，綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的基線可長達(dá)成千上萬千米，分辨率也就可以提高幾萬倍、甚至幾十萬倍。但是，綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡要用饋線連接成復(fù)雜的系統(tǒng)，而太長的饋線卻可能由于各種因素而導(dǎo)致天體信號的相位發(fā)生變化，并致使望遠(yuǎn)鏡失靈。

甚長基線干涉（簡稱VLBI）不用饋線傳輸，基線特別長。各臺射電望遠(yuǎn)鏡各自獨(dú)立地觀測同一個射電源，把觀測到的信號記錄在磁帶上，再把各臺射電望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)都交由一臺相關(guān)器進(jìn)行干涉處理，以獲得觀測結(jié)果。這同用饋線把兩面天線接收到的信號送往一處進(jìn)行干涉處理效果是一樣的。顯然，這種觀測方式必須做到“三個同一”，即各臺射電望遠(yuǎn)鏡記錄在磁帶上的信號必須是同一個射電源同一時刻發(fā)出的同一波段的信號。那么，怎樣實(shí)現(xiàn)這“三個同一”呢？關(guān)鍵是在觀測中應(yīng)用極端穩(wěn)定的原子鐘。原子鐘的精度可以達(dá)到每100萬年才誤差1秒。在觀測時把原子鐘的時間同觀測數(shù)據(jù)一起記錄到磁帶上，就很容易確定各臺射電望遠(yuǎn)鏡同時觀測的時刻。

一般干涉儀或綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡的各臺射電望遠(yuǎn)鏡都共用一臺本機(jī)振蕩器。但是甚長基線干涉取消了饋線連接，因此身處異地的射電望遠(yuǎn)鏡必須各自擁有頻率極其穩(wěn)定的本機(jī)振蕩器。原子鐘的頻率極端穩(wěn)定，正好又可用作這樣的本機(jī)振蕩器。

甚長基線干涉要求有足夠長的基線。歐洲國家的國土都不夠遼闊，因此德國、意大利、荷蘭、瑞典和英國于1980年聯(lián)合建立了總部設(shè)在荷蘭的歐洲甚長基線干涉網(wǎng)，簡稱EVN。

EVN很快又?jǐn)U展至歐洲其他國家。但其覆蓋的地區(qū)仍不夠大，因此又力邀中國參加。歐洲網(wǎng)擴(kuò)大到亞洲、南非，最后還包括了美國阿雷西博的305米射電望遠(yuǎn)鏡，成了世上分辨率和靈敏度最高的VLBI網(wǎng)。網(wǎng)中的射電望遠(yuǎn)鏡采用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的接收系統(tǒng)和記錄終端，觀測數(shù)據(jù)則送到國際聯(lián)測的數(shù)據(jù)處理中心去統(tǒng)一處理。

美國的甚長基線干涉陣（簡稱VLBA）由10臺口徑25米的射電望遠(yuǎn)鏡組成，跨度從美國東部的維爾京島到西部的夏威夷，最長基線達(dá)8600千米，最短基線為200千米。它是屬于一個國家的最大的VLBI專用觀測設(shè)備。每臺射電望遠(yuǎn)鏡都是專為干涉陣新設(shè)計(jì)的。1986年開始建造，1993年5月竣工，總費(fèi)用為8500萬美元。各臺射電望遠(yuǎn)鏡的觀測記錄都送到位于新墨西哥州索科羅的望遠(yuǎn)鏡陣工作中心分析處理，圖像質(zhì)量很高。VLBA的10臺射電望遠(yuǎn)鏡都能在3.5毫米波長上工作，在這一波長上，分辨率達(dá)到了亞毫角秒級。這使VLBA成了解決某些天體物理學(xué)難題的關(guān)鍵觀測設(shè)備。

美國的甚長基線干涉網(wǎng)

VLBA位于夏威夷的射電望遠(yuǎn)鏡

VLBI空間天文臺計(jì)劃(VSOP)

甚長基線干涉空間天文臺

為了獲得更長的基線，必須突破地球大小的限制，發(fā)展空間VLBI技術(shù)。從1986年～1988年，日本和澳大利亞的幾臺射電望遠(yuǎn)鏡，相繼同美國航宇局工作數(shù)據(jù)傳送衛(wèi)星的4.9米天線進(jìn)行空間VLBI干涉觀測實(shí)驗(yàn)并獲成功。1989年日本正式開始實(shí)施 “VLBI空間天文臺計(jì)劃”，簡稱VSOP。

1997年2月，日本發(fā)射口徑8米的射電望遠(yuǎn)鏡專用衛(wèi)星，成為首枚空間VLBI衛(wèi)星，其近地點(diǎn)高560千米，遠(yuǎn)地點(diǎn)高21000千米。觀測頻段為1.6吉赫(18厘米)、5吉赫(6厘米)和22吉赫（1.3厘米）。發(fā)射成功后，這顆衛(wèi)星被命名為HALCA，是“極先進(jìn)通信和天文實(shí)驗(yàn)室”的英文首字母縮寫，在日語中有遙遠(yuǎn)（Haruka）之意。

由空間射電望遠(yuǎn)鏡與地面射電望遠(yuǎn)鏡組成的VLBI系統(tǒng)，基線長度超過地球赤道直徑的2.5倍，角分辨率可達(dá)60微角秒，是當(dāng)今空間分辨率最高的天文望遠(yuǎn)鏡。這個國際合作項(xiàng)目，有美國、加拿大、澳大利亞、歐洲的甚長基線干涉網(wǎng)等參加。地面上已有的VLBI觀測網(wǎng)和深空觀測射電望遠(yuǎn)鏡等都與HALCA進(jìn)行合作觀測，中國也已多次參加。

HALCA衛(wèi)星的工作到2003年10月已經(jīng)結(jié)束。下一代空間VLBI將有一臺口徑10米的射電望遠(yuǎn)鏡在太空環(huán)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)。其運(yùn)動軌道也與VSOP相仿，近地點(diǎn)高1000千米，遠(yuǎn)地點(diǎn)高25000千米。它的工作頻率比VSOP更高，角分辨率也將進(jìn)一步大幅提高。

幾十年來，射電天文學(xué)取得許多重大的天文成果。20世紀(jì)60年代射電天文學(xué)的“四大發(fā)現(xiàn)”，即脈沖星、星際分子、微波背景輻射和類星體，已經(jīng)成為當(dāng)代天文學(xué)中的璀璨明珠。在獲得諾貝爾物理學(xué)獎的十來個天文項(xiàng)目中，射電天文學(xué)幾乎占了半壁江山。與此同時，中國的射電天文學(xué)也取得了長足的進(jìn)步，詳見“中國射電望遠(yuǎn)鏡的風(fēng)采”一文。