澳洲射電天文訓(xùn)練營(yíng)親歷記（上）

□ 王洪光

澳洲射電天文訓(xùn)練營(yíng)親歷記（上）

□ 王洪光

出于工作的原因，我報(bào)名參加了2014年9月29日至10月3日舉行的澳洲射電天文訓(xùn)練營(yíng)。本次訓(xùn)練營(yíng)的主題是射電綜合孔徑成像技術(shù)。射電綜合孔徑是將多個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡組合成一個(gè)陣列的技術(shù)。與單個(gè)射電天線不同，射電陣列在空間分辨率和天體成像效率等方面更有優(yōu)勢(shì)。

夕陽(yáng)下澳大利亞致密射電天線陣（ATCA）

發(fā)達(dá)的澳洲射電天文

這個(gè)訓(xùn)練營(yíng)在澳洲已有許多年的歷史。澳洲的射電天文很發(fā)達(dá)，歷史可以追溯到上世紀(jì)40年代。設(shè)備建造和維護(hù)的主力是聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）。CSIRO是一個(gè)規(guī)模龐大的全國(guó)性多學(xué)科的研究組織，其中天文和空間科學(xué)研究部門（CASS）位于悉尼。自從1961年建成帕克斯（Parkes）天文臺(tái)的64米射電望遠(yuǎn)鏡，聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）陸續(xù)建造了澳大利亞致密天線陣（ATCA）、22米墨普勒（Mopra）射電望遠(yuǎn)鏡和平方千米陣探路者望遠(yuǎn)鏡陣列（ASKAP）。眾所周知，國(guó)際合作的下一代射電望遠(yuǎn)鏡——平方千米陣（SKA）將在澳洲西部和南非建設(shè)。為了測(cè)試新技術(shù)，聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）從2009年開始建造澳大利亞平方千米陣探路者，臺(tái)址選擇在西澳默奇森（Murchison）射電天文臺(tái)。該項(xiàng)目計(jì)劃建設(shè)36面12米的望遠(yuǎn)鏡陣列，目前已經(jīng)完成了6面，安裝了先進(jìn)的第二代相位陣饋源（類似光學(xué)望遠(yuǎn)鏡后端的CCD），并正在進(jìn)行早期科學(xué)研究測(cè)試。

此外，悉尼大學(xué)在莫朗格洛（Molonglo）天文臺(tái)建有綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡，塔斯馬尼亞大學(xué)在塔斯馬尼亞島上的快樂山（Mount Pleasant，芒特普萊森特）天文臺(tái)建有26米、14米和12米口徑的三個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡。從2003年開始，用于空間項(xiàng)目的一面70米和兩面34米口徑堪培拉深空通訊天線也拿出部分時(shí)間用于天文觀測(cè)。2007年，在距離澳洲西海岸城市珀斯以北800千米的默奇森（Murchison）射電天文臺(tái)，美國(guó)、澳大利亞和印度的多所大學(xué)和研究所開始合作建設(shè)大視場(chǎng)射電陣MWA（Murchison Widefield Array），2013年投入科學(xué)運(yùn)行。

面對(duì)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)和科學(xué)需求，澳洲非常重視人才的培養(yǎng)，很早就開始舉辦射電天文訓(xùn)練營(yíng)。聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）舉辦的射電綜合孔徑成像技術(shù)訓(xùn)練營(yíng)開始于1999年，每年9月舉行一次，地點(diǎn)在保羅威爾特（Paul Wild）天文臺(tái)，使用6面22米口徑的ATCA射電望遠(yuǎn)鏡陣列進(jìn)行教學(xué)。在十多年的研究生涯中，我還是第一次參加這樣的培訓(xùn)。五天的培訓(xùn)里有許多有趣的事情，給了我很多特別的感受，我想不妨記錄下來，和愛好天文的朋友們分享。

到達(dá)目的地

保羅威爾特（Paul Wild）天文臺(tái)位于新南威爾士州北部，距離悉尼約530千米。9月28日上午，我從悉尼中央火車站出發(fā)。走進(jìn)車廂，發(fā)現(xiàn)了幾張熟悉的研究生的面孔，看來他們也是去參加培訓(xùn)的。在我的前排座位上有一位白發(fā)蒼蒼瘦小的老太太，此刻我還不知道她是訓(xùn)練營(yíng)里年紀(jì)最大的學(xué)員。沿途海岸和內(nèi)陸牧場(chǎng)風(fēng)景優(yōu)美，經(jīng)過8個(gè)小時(shí)的旅行，傍晚時(shí)分到達(dá)天文臺(tái)以東25千米的納拉布賴鎮(zhèn)（Narrabri），一個(gè)擁有6000人口的小鎮(zhèn)。學(xué)員們分散在小鎮(zhèn)的幾家旅館中。安頓好行李，我四處轉(zhuǎn)了轉(zhuǎn)，感受落日下小鎮(zhèn)的悠閑與安逸。小鎮(zhèn)不大，十五分鐘便走完了最繁華的中心街道。中心街道兩旁店鋪林立，而其他街道則冷清許多。雖然小，各種市政設(shè)施卻很完善。在中心街道的一處宣傳板上，天文臺(tái)和ATCA天線陣作為旅游景點(diǎn)之一赫然在目。

落日余暉下的射電天線

基礎(chǔ)講座

第二天一早，大巴車將五六十位學(xué)員運(yùn)送到二十多千米外的天文臺(tái)，開始了第一天的培訓(xùn)。絕大部分學(xué)員看起來非常年輕，活力四射，他們都是博士生嗎？這個(gè)問題不久就有了答案。一位博士后在她的講座中做了一個(gè)互動(dòng)，她問：“有多少人是一年級(jí)博士生？”一多半的人舉手。“二年級(jí)？”一小半舉手?！叭昙?jí)？”寥寥幾個(gè)舉手，還伴隨著一些笑聲。澳洲的學(xué)制和中國(guó)不同，理科本科三年，成績(jī)優(yōu)秀的可以讀第四年榮譽(yù)本科學(xué)位，參與研究項(xiàng)目。博士研究生三年，許多人在博士第一年選擇參加與課題相關(guān)的觀測(cè)培訓(xùn)，以便為后面的研究打基礎(chǔ)。

第一天的培訓(xùn)主要是基礎(chǔ)講座，并安排了分組，從第二天下午開始，學(xué)員們將按照分組進(jìn)行觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理等各環(huán)節(jié)的實(shí)踐學(xué)習(xí)。每天上午安排兩個(gè)時(shí)段的講座，中間有半小時(shí)的早茶時(shí)間。地點(diǎn)是在天文臺(tái)訪客中心，那是一棟木質(zhì)的平房，剛好裝得下五六十人聽課。早茶和下午茶是交流的好機(jī)會(huì)。早茶時(shí)分，學(xué)員和授課人員聚集在平房外的走廊上，喝著咖啡和飲料、吃著點(diǎn)心，興高采烈地聊天。平房外面就是一眼望不到盡頭的鐵軌，幾臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡坐落在鐵軌上，天文味十足。下午的實(shí)踐活動(dòng)集中在射電陣控制中心，一棟兩層小樓。同樣分兩個(gè)時(shí)段，中間有半小時(shí)的下午茶。每天的午餐比較簡(jiǎn)單，餐廳提供幾種不同口味的三明治、水果和蔬菜沙拉。填飽肚子之外，午餐更重要的作用是交流，在餐桌上可以聽到許多有趣的想法和事情。餐廳入口處放著一架40厘米口徑道布森望遠(yuǎn)鏡，近一人高，非常顯眼，在第四天晚上的聚餐活動(dòng)中它將會(huì)派上用場(chǎng)。培訓(xùn)班大致的日程便是這樣，除了教學(xué)活動(dòng)，自由交流始終是訓(xùn)練營(yíng)一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。

培訓(xùn)班的內(nèi)容安排得非常好，涉及射電陣列觀測(cè)的方方面面。授課人都是在綜合孔徑成像領(lǐng)域有經(jīng)驗(yàn)的博士后和資深的研究員。有些學(xué)者對(duì)理論和實(shí)驗(yàn)有著極為深刻的理解，講課深入淺出，往往博得更熱烈的掌聲。盡管每個(gè)授課人的風(fēng)格有差異，但他們的神情和言語(yǔ)中散發(fā)的對(duì)天文研究的熱情時(shí)刻感染著學(xué)員們。不少授課人重視和聽眾的互動(dòng)，有的會(huì)設(shè)置一些討論題現(xiàn)場(chǎng)問答，有時(shí)還以糖果為獎(jiǎng)品。最有趣的是，當(dāng)悉尼大學(xué)的一位學(xué)者結(jié)束他的講課內(nèi)容時(shí)，他將最后的提問考核環(huán)節(jié)交給了他上小學(xué)的兒子。對(duì)著筆記本電腦上的問題，小考官向大家提問，誰(shuí)答對(duì)了就扔過去一顆糖，可愛的表現(xiàn)萌翻了眾人。給我留下深刻印象的還有學(xué)員們的活躍，在講座中和講課后的提問環(huán)節(jié)，總是會(huì)冒出各種問題，甚至發(fā)表評(píng)述。我想這和他們平時(shí)所受的強(qiáng)調(diào)獨(dú)立思考、鼓勵(lì)質(zhì)疑的訓(xùn)練是分不開的。

射電望遠(yuǎn)鏡的饋源，工程師正在講解喇叭口上方蓋子的作用

參觀望遠(yuǎn)鏡

下午的實(shí)踐活動(dòng)包括參觀望遠(yuǎn)鏡、學(xué)習(xí)如何制定觀測(cè)計(jì)劃、觀測(cè)操作和數(shù)據(jù)處理四個(gè)環(huán)節(jié)。為我們講解觀測(cè)操作的是一位叫羅賓?瓦克（Robin Wark）的和藹老太太?？刂剖以诙?，長(zhǎng)長(zhǎng)的桌子上一字排開六個(gè)大液晶屏幕，布滿了監(jiān)控和命令窗口?？刂剖掖巴饪梢钥吹轿鍌€(gè)望遠(yuǎn)鏡，第六號(hào)望遠(yuǎn)鏡由于放在很遠(yuǎn)的軌道上，看不見。在一個(gè)半小時(shí)的講解和問答中，有兩位學(xué)員有機(jī)會(huì)練習(xí)操控望遠(yuǎn)鏡。有一位學(xué)員注意到第五號(hào)望遠(yuǎn)鏡并沒有隨其他望遠(yuǎn)鏡一起運(yùn)轉(zhuǎn)，而是鏡面朝上靜止不動(dòng)，她問羅賓為什么，羅賓讓大家猜。我們都沒猜對(duì)，羅賓說了一句：“我可不想弄死上面的人”。大伙恍然大悟，原來當(dāng)時(shí)正有另一組學(xué)員在上面參觀。其實(shí)羅賓是在開玩笑，望遠(yuǎn)鏡上還有手動(dòng)裝置可以鎖死鏡面。天線陣列要比單個(gè)天線的觀測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜得多，據(jù)羅賓介紹，需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)就有近兩千個(gè)。當(dāng)有人問，風(fēng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的不均勻性會(huì)不會(huì)影響望遠(yuǎn)鏡指向精度？羅賓隨即從一個(gè)屏幕上調(diào)出望遠(yuǎn)鏡指向的監(jiān)控界面?？粗鴮?shí)時(shí)更新的指向偏移角曲線，我們很快就有了直觀的定量化的認(rèn)識(shí)。

望遠(yuǎn)鏡上方的副反射面板

澳洲射電望遠(yuǎn)鏡的自動(dòng)化程度很高，包括澳大利亞致密天線陣（ATCA），已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程觀測(cè)，也就是說，只要有互聯(lián)網(wǎng)，在世界上的任何一個(gè)角落都可登錄ATCA的遠(yuǎn)程控制界面，遙控望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行天文觀測(cè)。當(dāng)然，前提是你申請(qǐng)的觀測(cè)項(xiàng)目得到了望遠(yuǎn)鏡時(shí)間分配委員會(huì)的批準(zhǔn)，并且經(jīng)過了觀測(cè)培訓(xùn)。筆者訪問的工作單位天文和空間科學(xué)研究部門（CASS），就有一個(gè)房間設(shè)有三臺(tái)液晶監(jiān)視器，專門用于ATCA的遠(yuǎn)程觀測(cè)。

數(shù)據(jù)處理的練習(xí)是將一段真實(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)按照流程進(jìn)行處理，在完成校準(zhǔn)，去除干擾及其他效應(yīng)后，最終形成圖像或者光譜。軟件是在Linux操作系統(tǒng)下運(yùn)行，有詳細(xì)的技術(shù)文檔可供參考，并有專人現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。流程并不難，但是要判斷結(jié)果的可靠性卻要費(fèi)功夫思考，需要嘗試不同的方法進(jìn)行檢驗(yàn)。要成為這方面的行家，需要在一次次的糾錯(cuò)中積累經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也要對(duì)原理和設(shè)備有足夠的理解，并融會(huì)貫通。

我們這一組的參觀安排在第四天的下午。由一位工程師帶領(lǐng)我們組的五位學(xué)員登上一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，講解構(gòu)造和各個(gè)部件的作用。在第一層基座的房間里，可以看到密密麻麻、規(guī)則盤繞的電纜和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等設(shè)備?；敳渴彝獾钠脚_(tái)上裝有液氦壓縮機(jī)，主要的作用是制備零下269攝氏度的液氦并輸送到上層的小房子里，用于冷卻接收機(jī)，即接受天體電磁信號(hào)的裝置，使其保持在超低溫的工作環(huán)境下，以便降低電子器件自身的噪聲電流。只有這樣，才能保證望遠(yuǎn)鏡對(duì)暗弱的天體的探測(cè)能力。這和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的CCD需要制冷類似。在平臺(tái)上，有一位學(xué)員欣喜地招呼大家，在她手指的方向，我們看到了成群的袋鼠。我跟工程師開玩笑說，看來這兒的袋鼠比人還多，工程師一笑，指著西邊說，那兒還有更多。果然，用手遮住陽(yáng)光，在西邊更遠(yuǎn)的地方可以看到許多小黑點(diǎn)，有的正在移動(dòng)，比我們前幾天看到的零星幾個(gè)要壯觀得多。

在第二層的饋源室里，我們看到了制作精良的接收機(jī)，頂部是幾個(gè)金色的形似喇叭的饋源，用于將反射面板反射下來的電磁波導(dǎo)入到后面的裝置。接收機(jī)的下端封閉在液氦制冷的杜瓦瓶中，用于放大信號(hào)，然后導(dǎo)出到旁邊的一個(gè)機(jī)柜，在那里進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的相關(guān)機(jī)機(jī)房。從一個(gè)小門走出饋源室，就來到了天線面板上。22米直徑的拋物面形天線看起來并不大，饋源室正位于它的中心。在天線的邊緣，四根架子向上匯聚到頂端，支撐起一個(gè)凸起的反射面板。主天線反射的電磁波射到反射面板上向下傳播，最終聚焦到饋源上。有趣的是，在反射面板中心有一個(gè)洞。當(dāng)我問起它的作用時(shí)，工程師笑著說，幾乎每一撥人都要問這個(gè)問題。我開玩笑說，因?yàn)樘煳慕炭茣蠜]講。原來，它的主要用途是安裝激光器來輔助檢測(cè)望遠(yuǎn)鏡的指向。

最后我們參觀了相關(guān)機(jī)機(jī)房，一個(gè)做了電磁屏蔽的有兩道門的大房間。每一個(gè)望遠(yuǎn)鏡接收下來的數(shù)據(jù)通過光纖傳遞到這個(gè)機(jī)房，因此這里的第一印象是密密麻麻、大大小小的電纜。進(jìn)入第二道門，冷氣撲面而來，穿著短袖T恤不禁感覺有點(diǎn)冷。這個(gè)房間一年四季都保持常溫。映入眼簾的是一排排一人多高的機(jī)柜，各種設(shè)備運(yùn)行的噪聲交織在一起，必須提高嗓門才能聽清別人說話。

天線陣的基本原理是要修正同一個(gè)天體的信號(hào)到達(dá)不同望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間差（由望遠(yuǎn)鏡位置的差別造成），把不同望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，最終還原出天體的圖像。望遠(yuǎn)鏡兩兩一組，每一組被稱為一個(gè)基線，澳大利亞致密天線陣（ATCA）的六面天線共形成十五個(gè)基線，各個(gè)基線的數(shù)據(jù)都被記錄下來，用于后期數(shù)據(jù)處理。因此，機(jī)房里的核心設(shè)備就是完成這項(xiàng)任務(wù)的相關(guān)機(jī)。機(jī)柜上安裝了許多14英寸筆記本電腦那么大的集成電路板。在機(jī)器的噪聲中，工程師扯著嗓子為我們講解各個(gè)部件的作用，忍不住咳嗽起來。

為了準(zhǔn)確地記錄時(shí)間，機(jī)房里配備了兩部氫原子鐘。這是目前地球上最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)系統(tǒng)，可以達(dá)到100萬(wàn)年才差一秒的精度。澳大利亞致密天線陣（ATCA）也參與國(guó)際甚長(zhǎng)基線干涉儀（VLBI）的觀測(cè)，這是由全球幾十部單口徑射電望遠(yuǎn)鏡和射電陣列組成的更大的陣列，可以提供目前最高空間分辨率的觀測(cè)，比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡還要高幾百倍。但是觀測(cè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大得驚人，在機(jī)房里，我們看到了幾十個(gè)裝著磁盤的銀色箱子，整齊地碼放在一個(gè)柜子里，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)量給數(shù)據(jù)傳遞造成了一定的困難。傳統(tǒng)的辦法是各個(gè)臺(tái)站將記錄數(shù)據(jù)的磁盤寄到某個(gè)數(shù)據(jù)處理中心集中處理，比較費(fèi)時(shí)。正在發(fā)展中的e-VLBI技術(shù)，旨在通過光纖將分布于全球各地的觀測(cè)站聯(lián)系起來，將數(shù)據(jù)直接傳至數(shù)據(jù)中心處理，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的磁盤記錄與傳輸，以實(shí)現(xiàn)邊觀測(cè)、邊傳輸、邊處理的目的。

望遠(yuǎn)鏡中央的饋源室

射電望遠(yuǎn)鏡的相關(guān)機(jī)

參觀結(jié)束后，離晚宴還有一段時(shí)間，我們有半個(gè)小時(shí)拍攝夕陽(yáng)下的天線陣。這時(shí)望遠(yuǎn)鏡正在調(diào)整方位，在嗡嗡的馬達(dá)聲中，幾只袋鼠在一架望遠(yuǎn)鏡旁注視著緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)的鋼鐵家伙，完全無視我繞到它們背后拍照。

（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）