綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡陣列

郭紅鋒

射電望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)與光學(xué)反射式望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)類似，具有主鏡面（或稱反射面）和接收器。只是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一般都要通過(guò)副鏡（或轉(zhuǎn)角平面鏡）將光線轉(zhuǎn)出來(lái)到目鏡或接收裝置，而射電望遠(yuǎn)鏡一般是將接收裝置直接安放在焦點(diǎn)處（稱為饋源）。所以，射電望遠(yuǎn)鏡也遵循口徑越大，分辨率和靈敏度越高的規(guī)律。射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展也遇到了與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡同樣的問(wèn)題，就是反射面天線不能無(wú)限做大，這給射電天文學(xué)的迅速發(fā)展拖了后腿。

綜合孔徑技術(shù)就是為擴(kuò)大射電望遠(yuǎn)鏡口徑而發(fā)展起來(lái)的創(chuàng)新技術(shù)，其原理是把多個(gè)子孔徑接收的信號(hào)綜合到一起，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，模擬出一個(gè)等效大孔徑望遠(yuǎn)鏡的效果。運(yùn)用綜合孔徑技術(shù)，可以把一批小口徑射電望遠(yuǎn)鏡的天線排列成一定的陣型，操作天線陣共同指向天空的同一塊區(qū)域。陣列中所有望遠(yuǎn)鏡接收到的信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)綜合處理后，產(chǎn)生出對(duì)應(yīng)天區(qū)的綜合成像，這個(gè)像就是這個(gè)陣列等效的虛擬大口徑望遠(yuǎn)鏡成像的效果。

用綜合孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)射電望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)大口徑的嘗試是成功的，也給其他波段望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展提供了借鑒。這項(xiàng)技術(shù)還獲得了1974年的諾貝爾獎(jiǎng)。

完整單口徑望遠(yuǎn)鏡的分辨率與口徑直接有關(guān)，而靈敏度與主鏡的面積有關(guān)（對(duì)于完整口徑而言，也就是與口徑有關(guān)）。一個(gè)陣列望遠(yuǎn)鏡的口徑是不完整的，其等效口徑等于基線長(zhǎng)度（即陣列中各個(gè)望遠(yuǎn)鏡之間的最大距離），而陣列望遠(yuǎn)鏡的面積取決于陣列中所有子望遠(yuǎn)鏡的合成面積（與等效口徑無(wú)關(guān)）。

陣列望遠(yuǎn)鏡的分辨率與等效口徑有關(guān)，等效口徑越大，分辨率越高，因此，只用幾個(gè)面積較小的望遠(yuǎn)鏡，拉開(kāi)距離（基線）同步工作，也能獲得高分辨率。但是，望遠(yuǎn)鏡要探測(cè)到微弱的信息（高靈敏度），就需要大面積來(lái)集聚能量。陣列射電望遠(yuǎn)鏡想要增大面積，就需要擺放盡可能多個(gè)小口徑望遠(yuǎn)鏡，也就是更多地填充一個(gè)虛擬大口徑的面積。

因此，只要求提高分辨率，在等效大口徑里放很少的小口徑望遠(yuǎn)鏡即可;而要提高望遠(yuǎn)鏡靈敏度（觀測(cè)到暗弱的目標(biāo)），則需要在等效大口徑的范圍內(nèi)放很多小口徑望遠(yuǎn)鏡，或者每一個(gè)子望遠(yuǎn)鏡的口徑更大，效率才更高。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，歐洲的多個(gè)甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量裝置（Very Long Baseline Interferometry，簡(jiǎn)稱VLBI）已經(jīng)互相組網(wǎng)觀測(cè)，獲得相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)中連接點(diǎn)之間最長(zhǎng)距離（基線）的等效口徑。歐洲的VLBI網(wǎng)（European VLBI Network，簡(jiǎn)稱EVN）是一個(gè)主要位于歐洲，延伸到亞洲的射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)網(wǎng)工作系統(tǒng)，后來(lái)又增加了南非和波多黎各的天線。接入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的射電望遠(yuǎn)鏡可以協(xié)調(diào)工作，共同對(duì)準(zhǔn)同一個(gè)目標(biāo)，造成一個(gè)等效口徑巨大的望遠(yuǎn)鏡，實(shí)現(xiàn)對(duì)宇宙射電源進(jìn)行高空間分辨率的觀測(cè)。

美國(guó)則組成了甚長(zhǎng)基線陣（ V e r y L o n gBaseline Array，VLBA）。這是一個(gè)由10個(gè)觀測(cè)站組成的網(wǎng)絡(luò)，分布在美國(guó)各地。這些天線位于長(zhǎng)達(dá)8000千米的距離（基線）上，從而獲得等效于基線口徑的大望遠(yuǎn)鏡的分辨率。甚長(zhǎng)基線陣列每個(gè)站點(diǎn)都是一個(gè)25米的射電望遠(yuǎn)鏡。每個(gè)望遠(yuǎn)鏡捕獲的無(wú)線電信號(hào)被放大、數(shù)字化以后，發(fā)送到一臺(tái)稱為相關(guān)器的大型計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。通過(guò)數(shù)據(jù)的合成和可視化處理，VLBA堪稱世界上最強(qiáng)大的無(wú)線電信號(hào)照相機(jī)之一（基線越長(zhǎng)，角分辨率越高）。甚長(zhǎng)基線一般指幾千千米甚至地球尺度的基線長(zhǎng)度。

人類首次直接成像的黑洞照片，離不開(kāi)多個(gè)毫米波、亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡組成的甚長(zhǎng)基線干涉陣，包括智利阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA），南極點(diǎn)的南極望遠(yuǎn)鏡，以及美國(guó)、歐洲等地共8臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，形成了一個(gè)直徑超過(guò)12000千米的巨大虛擬望遠(yuǎn)鏡?？茖W(xué)家把這個(gè)陣列里全部望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)匯總到一起，進(jìn)行合成處理，才產(chǎn)生了黑洞邊緣的合成照片。由于黑洞在吸積周圍物質(zhì)時(shí)在毫米波波段和亞毫米波波段的輻射比較強(qiáng)，比較適合使用這個(gè)波段的望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)做合成處理，而且在這個(gè)波段上波長(zhǎng)較短，分辨率更高，能夠達(dá)到目前人類獲得的最高分辨率。

這些都是新一代射電望遠(yuǎn)鏡的代表，它們?cè)陟`敏度、分辨率和觀測(cè)波段上都大大超過(guò)了以往的望遠(yuǎn)鏡，使射電天文成為天文學(xué)領(lǐng)域中的重要研究手段，并為天文學(xué)的發(fā)展帶來(lái)難以預(yù)料的機(jī)會(huì)。