固定式碟形射電望遠鏡家族簡史

喻業(yè)釗

2016年9月25日，世界上最大的單口徑射電望遠鏡——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）在貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼落成啟用。2021年4月，時隔5年多，F(xiàn)AST望遠鏡完成調試，在脈沖星、快速射電暴等領域取得可喜的成績，并開始對國際開放。

FAST是一臺“固定式”碟形望遠鏡，其反射面像一個碟子。所謂固定式指的是反射面不能整體移動。固定式的碟形射電望遠鏡并非FAST的專利。要制造大口徑射電望遠鏡，固定式結構是一種方便、經濟的做法。歷史上，天文學家曾制造過多架固定式射電望遠鏡，其中有與FAST一樣同屬碟形反射面的，當然也有其他類型的。因篇幅有限，本文僅介紹如下6架歷史上著名的固定式碟形射電望遠鏡：

英國焦德雷班克天文臺218英尺固定式望遠鏡

焦德雷班克天文臺附屬于英國曼徹斯特大學。它始建于1945年，位于英國曼徹斯特以南大約32千米。該天文臺最為有名的設備是1957年建成的口徑76米的洛弗爾望遠鏡。洛弗爾望遠鏡是一臺全可動的地平式射電望遠鏡，并不屬于“固定式”望遠鏡。接下來要介紹的重點，是焦德雷班克天文臺更早建造的一臺口徑218英尺（約66.4米）的射電望遠鏡。

1947年，為了研究宇宙線在地球大氣層中引發(fā)的射電輻射信號，焦德雷班克天文臺的建造者伯納德·洛弗爾建成了這架當時世界上口徑最大的射電望遠鏡——218英尺望遠鏡。該望遠鏡使用環(huán)形豎立的多根桿子支起多根金屬藍線組成其網狀反射面，然后在反射面中心垂直豎立一根126英尺（約38.4米）高的桅桿，桅桿上放置一振子天線作為“饋源”來接收反射面匯聚的電磁波信號。這個望遠鏡可以觀測波長為4.17米和1.89米的電磁波。由于這個望遠鏡一開始的觀測目標是宇宙線引發(fā)的射電信號，對其觀測天區(qū)沒有特定的要求，所以該望遠鏡開始的時候不僅反射面固定在地面上不能動，支撐接收天線的桅桿也是不能動的，只能觀測天頂區(qū)域。

紅圈指示處為218 英尺望遠鏡反射面所在區(qū)域，圓圈中心可見豎立放置饋源的桅桿

通過傾斜放置饋源的桅桿（照片中最高的那根）調節(jié)望遠鏡的觀測天區(qū)。

218英尺固定式望遠鏡觀測到的仙女座大星系射電輻射強度分布等高線圖，其中虛線為光學觀測中仙女座大星系所在的位置。

218英尺望遠鏡在其最初的研究方向——宇宙線上并沒有取得什么觀測結果，后來轉而用于進行天文觀測研究。為了更好地進行天文觀測，天文學家通過傾斜支撐饋源的桅桿來調整望遠鏡觀測的天區(qū)。桅桿可以傾斜的最大角度為15度，這使得218英尺望遠鏡的觀測天區(qū)范圍擴大為赤緯38度至68度之間的區(qū)域。著名的仙女座大星系剛好位于這個天區(qū)范圍之內。憑借這一當時世界上口徑最大、靈敏度最高的望遠鏡，天文學家在1950年第一次探測到仙女座大星系的射電輻射。

荷蘭科特韋克“坑”望遠鏡

科特韋克是位于荷蘭中部海爾德蘭省的一個小村莊，曾經是荷蘭無線電通訊中心的所在地，同時也進行一些射電天文的觀測研究。1951年，在雷達工程師德沃格特的倡議下，人們在科特韋克建造了一架口徑30米的固定式射電望遠鏡。這架望遠鏡利用了一個天然沙坑，在沙坑中用水泥修了一個拋物面，再鋪上金屬網作為反射面。反射面中心立有一根桿子支撐饋源，以接收反射面匯聚的電磁波信號。整個反射面和饋源向南傾斜了10度，使得著名的明亮射電源“天鵝座A”每天都會經過望遠鏡所觀測的天區(qū)。這架望遠鏡被人們形象地稱為“坑”或 “雷達洞”。

“坑”望遠鏡建造的目的是為了監(jiān)測地球電離層的穩(wěn)定性。不過由于當?shù)仉姶鸥蓴_嚴重，這架望遠鏡并沒有發(fā)揮應有的作用，后來便廢棄不用。“坑”望遠鏡被廢棄之后，村里青年將其用作自行車賽道。到20世紀60年代末的時候，“坑”里已經充滿了垃圾。到了1966年，整個科特韋克社區(qū)，一共有37戶家庭整體搬遷?！翱印蓖h鏡，還有當?shù)馗鼮橛忻臑跗澅ど潆娡h鏡，現(xiàn)在都已經難覓蹤跡。

澳大利亞“大地之洞”望遠鏡

在“坑”望遠鏡建成的1951年，澳大利亞3位射電天文學家約翰·博爾頓、戈登·斯坦利和布魯斯·斯萊希望建造一臺更大、更靈敏的射電望遠鏡，但他們所在的澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織射電物理部無法為他們提供足夠的經費。受焦德雷班克天文臺218英尺望遠鏡的啟發(fā)，他們利用自己的午休時間，用了3個月的時間，在靠近悉尼的多佛高地用小鏟子在沙灘上挖了一個直徑21.9米的淺坑。沙坑表面用灰加固，然后鋪上從包裝箱上拆下來的金屬條，這便構成了望遠鏡的反射面。與218英尺望遠鏡一樣，饋源被安置在反射面中心豎立著的桅桿上。桅桿角度可調節(jié)，使得望遠鏡可以觀測一定的天區(qū)范圍（天頂距大約15度以內）。這臺望遠鏡被人們形象地稱為“大地之洞”。

在“大地之洞”被證明是可行方案之后，該望遠鏡在1953年進行了升級改造，使用水泥和金屬網重修了反射面，提高了反射面的精度，并將口徑從21.9米增加到24.4米。望遠鏡的觀測頻率也從原來的160兆赫茲提高到400兆赫茲。

在悉尼所處的緯度，銀河中心每天都會經過頭頂附近，因而銀河中心自然是“大地之洞”的重點觀測對象。1954年，在完成升級改造之后，“大地之洞”成功地對銀河中心區(qū)域進行了觀測。觀測結果表明，明亮的射電源“人馬座A”非?？拷敃r由光學天文觀測定義的銀河系中心。后來，在1958年，國際天文學聯(lián)合會決定將人馬座A所在位置定為銀河系坐標中心，并沿用至今。

克里米亞RT-30望遠鏡

在1954至1955年期間，蘇聯(lián)在克里米亞的卡齊韋利建造了2臺口徑30米、相隔740米的固定式射電望遠鏡，簡稱“RT-30”。這2臺望遠鏡可以組成干涉儀，用以觀測太陽超冕和蟹狀星云。RT-30的結構和“坑”望遠鏡很像，整個反射面固定在地面，并向南傾斜，以確保蟹狀星云每天經過望遠鏡觀測天區(qū)。

"坑"望遠鏡

左上圖：1953 年望遠鏡升級施工照;右上圖：調整支撐饋源的桅桿傾斜角度;左下圖：戈登·斯坦利在用經緯儀測量桅桿位置;右下圖：1954 年觀測到的銀河系中心區(qū)域400 兆赫茲射電輻射強度分布圖。其中顏色最深處就是最強的射電源——人馬座A。

RT-31 望遠鏡（左）及其觀測到的太陽3 厘米波長射電強度分布（右）

后來，這2臺30米口徑望遠鏡中，東邊的那一臺進行了升級改造。反射面升級成水泥加鍍鋅金屬板，口徑增加到31米（于是改叫“RT-31” ）。升級之后，這架望遠鏡可觀測的電磁波波長范圍為3～10厘米。饋源放置在垂直地面的塔架上，可以上下左右小范圍擺動（4度以內）。憑借這架望遠鏡，科學家第一次觀測到蟹狀星云的偏振輻射。RT-31也用于太陽觀測，獲得了太陽3厘米波段的射電圖。

1963年，在波多黎各的阿雷西博天文臺，一架口徑305米的射電望遠鏡落成。在后來的53年中，這架望遠鏡一直是世界上最大的單口徑射電望遠鏡。

前文提到的望遠鏡，其反射面都是拋物面的，因為使用拋物面作為反射面才能把入射的平行光匯聚到一個焦點上。但是，正如前文所說的，為了增大觀測范圍，望遠鏡需要調節(jié)饋源的位置。而一旦饋源偏離拋物面的焦點，望遠鏡的觀測效率就會下降，還會有一定的誤差（光學上表述為“像差” ;射電天文表述為“波束形狀改變” ）。為了避免在改變饋源位置以觀測其他天區(qū)時帶來的這些負面效應，阿雷西博望遠鏡的反射面使用的是球面。然而，球面并不能將平行光匯聚到一點，而是匯聚到一條線上，所以阿雷西博望遠鏡最初使用的是一根棒狀的饋源。后來又增加了2個小反射面，對球面匯聚的光線進行修正，使其能匯聚到一點，從而能使用常用的饋源。

美國阿雷西博305 米口徑射電望遠鏡所在位置原本是一個天然喀斯特洼地。

阿雷西博望遠鏡的饋源平臺：最頂上的三角平臺固定不動;下面弧形平臺可以在水平面轉動;饋源可以沿著弧形平臺的弧邊移動。

阿雷西博望遠鏡的饋源被安裝在一個饋源平臺上，整個平臺重達900噸，由3組鋼纜懸掛在離反射面大約150米的上空。2020年8月11日，受到颶風“以賽亞”的影響，懸掛饋源平臺的其中一組鋼纜中的一根輔助鋼纜斷裂并砸毀了部分面板。沒等科學家爭取到經費去修復望遠鏡，2020年11月6日，同組鋼纜中的主鋼纜斷裂。主鋼纜的斷裂讓維修工作變得十分危險，2020年11月19日，美國國家科學基金會正式宣布關閉阿雷西博望遠鏡，并計劃將其拆除。然而，還沒等到人類動手，2020年12月1日，原本損壞的那一組鋼纜徹底斷裂，900噸重的饋源平臺砸落到反射面上，阿雷西博望遠鏡以這種悲壯的方式，正式向人們告別。

阿雷西博望遠鏡的科學目標主要有3個：一是觀測地球電離層的雷達回波以研究電離層;二是使用雷達對太陽系內部分行星、小行星和近地天體進行研究;三是觀測遙遠天體發(fā)出的射電輻射。1964年，阿雷西博望遠鏡通過雷達觀測，首次測量得到水星自轉周期為58.8天。1974年，它向武仙座球狀星團發(fā)送了著名的“阿雷西博信息”。1975年，赫爾斯和泰勒使用阿雷西博望遠鏡發(fā)現(xiàn)第一個脈沖星雙星系統(tǒng)。隨后，他們對這個脈沖星雙星系統(tǒng)進行持續(xù)觀測，間接驗證了引力波理論，因此獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。1982年，阿雷西博望遠鏡發(fā)現(xiàn)了第一顆毫秒脈沖星;1989年，使用雷達首次對小行星進行成像觀測;1990年，發(fā)現(xiàn)脈沖星B1257+12，并在后來發(fā)現(xiàn)至少有3顆行星圍繞這顆脈沖星公轉。這是人們最先發(fā)現(xiàn)的3顆系外行星。

球面將平行光匯聚到一條線上（左），需要使用棒狀的饋源接收（中）。后來設計出2 個反射面，將光線匯聚到一個焦點上（右）。

在阿雷西博望遠鏡57年的生涯中，它在射電天文觀測上可謂碩果累累。

亞美尼亞奧爾果夫天文臺赫魯尼鏡面射電望遠鏡

在阿雷西博望遠鏡之后，人們建造固定式望遠鏡的腳步并未停止。1975年，蘇聯(lián)科學院院士赫魯尼開始在亞美尼亞的奧爾果夫天文臺建造一臺射電光學望遠鏡（ROT）。這架神奇的望遠鏡，其射電反射面為一個直徑54米的半球面，固定在地面，不過有效口徑只有32米。反射面上鋪設的高精度金屬板，使得該望遠鏡能夠觀測短至1毫米波長的電磁波。一根巨型棒狀支架被支撐在射電反射面上，棒狀支架的一頭是射電望遠鏡的二次反射面和饋源，另一頭則是一架口徑2.4米的光學望遠鏡。這個巧妙的設計使得赫魯尼望遠鏡可以同時觀測天體的射電和光學輻射。鑒于這臺望遠鏡的特點及設計者的姓名，這臺望遠鏡被稱為“赫魯尼鏡面射電望遠鏡”。

人們站在赫魯尼射電望遠鏡反射面邊緣參觀這臺望遠鏡。射電反射面中間是棒狀支架，支架上半部是光學望遠鏡，下半部是射電望遠鏡二次反射面和饋源，棒狀支架可以圍繞其中間運動。

人們站在赫魯尼射電望遠鏡反射面邊緣參觀這臺望遠鏡。射電反射面中間是棒狀支架，支架上半部是光學望遠鏡，下半部是射電望遠鏡二次反射面和饋源，棒狀支架可以圍繞其中間運動。

赫魯尼鏡面射電望遠鏡的命運多舛。它歷時10年，到1985年才建成，在那個動蕩的年月僅運行了幾年，在1990年便停止運行。直至1995年，望遠鏡才重新啟用。2012年，棒狀支架部分無法運動，望遠鏡再次停止運行。和許多蘇聯(lián)大型天文望遠鏡一樣，赫魯尼鏡面射電望遠鏡并沒有取得多少天文觀測成果。

讀史明智，鑒往知來。焦德雷班克天文臺218英尺望遠鏡反射面是用桿子支撐在地面之上的。之后的幾個固定式望遠鏡開始利用天然洼地。而到了巨型的阿雷西博望遠鏡和FAST望遠鏡，人們則利用天然喀斯特洼地。218英尺望遠鏡發(fā)現(xiàn)饋源偏離焦點仍可以觀測，以此擴大望遠鏡可觀測天區(qū)。阿雷西博望遠鏡則將反射面做成球面，使得在觀測不同天區(qū)時望遠鏡效率不會有明顯變化。FAST望遠鏡創(chuàng)新性地提出可動反射面，可將用到的反射面區(qū)域變?yōu)閽佄锩妫噍^阿雷西博望遠鏡進一步解決了球面反射鏡聚焦的問題。也許，今后的天文學家也會在FAST望遠鏡的啟發(fā)下創(chuàng)新思維，制造出口徑更大的固定式射電望遠鏡，且讓我們拭目以待。

辟謠

1. 關于阿雷西博望遠鏡的口徑，在國內的網絡上有一個流行廣泛的謠言，說阿雷西博望遠鏡在20世紀70年代升級改造過，將望遠鏡口徑從305米擴大到了350米。甚至還有人杜撰出其在20世紀80年代又升級一次，將口徑擴大到366米。這些都是謠言。阿雷西博望遠鏡雖然升級改造過，但是并沒有擴大口徑，其口徑一直是305米。

2. 阿雷西博望遠鏡深度大約為500英尺，即大約150米。有的中文資料應該是翻譯出現(xiàn)誤差，將望遠鏡的深度說成500米。