射電天文學(xué)中按電磁波波段區分﹐使用毫米波段（波長(cháng)1—10毫米，頻率為30—300GHz）和亞毫米波段（波長(cháng)約為0.35—1毫米，頻率為300—1,100GHz）進(jìn)行天文觀(guān)測研究的一個(gè)分支。20世紀50年代研制成一系列小型毫米波射電望遠鏡﹐主要用于測量大氣對毫米波傳播的效應和觀(guān)測太陽(yáng)﹑月球和行星的準熱輻射。到六十年代后期﹐從毫米波向短波方向和從紅外波段向長(cháng)波方向的技術(shù)發(fā)展使天文觀(guān)測進(jìn)入了亞毫米波段。亞毫米波與較低頻段的微波相比，其特點(diǎn)是：①可利用的頻譜范圍寬，信息容量大；②天線(xiàn)易實(shí)現窄波束和高增益，因而分辨率高，抗干擾性好；③穿透等離子體的能力強；④多普勒頻移大，測速靈敏度高。其缺點(diǎn)是在大氣中的傳播衰減嚴重和器件加工的精度要求高。毫米波、亞毫米波與光波相比，受自然光和熱輻射源的影響小。
1962年，英國劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗室的賴(lài)爾（Martin Ryle，1918—1984）利用干涉的原理，發(fā)明了綜合孔徑射電望遠鏡，大大提高了射電望遠鏡的分辨率。其基本原理是：用相隔兩地的兩架射電望遠鏡接收同一天體的無(wú)線(xiàn)電波，兩束波進(jìn)行干涉，其等效分辨率最高可以等同于一架口徑相當于兩地之間距離的單口徑射電望遠鏡。賴(lài)爾因為此項發(fā)明獲得1974年諾貝爾物理學(xué)獎。
1946年﹐英國曼徹斯特大學(xué)開(kāi)始建造直徑66.5米的固定拋物面射電望遠鏡。1957年10月，英國的Lovell射電望遠鏡于投入使用，直徑達到76米。最初用于跟蹤運載火箭，后來(lái)在美國和俄羅斯早期的航天探測中發(fā)揮作用。1959年，Lovell射電望遠鏡最先接收到一架俄羅斯月球探測器發(fā)回來(lái)的圖片。20世紀60年代以來(lái)﹐相繼建成的有美國國立射電天文臺的42.7米射電望遠鏡，加拿大的46米射電望遠鏡﹑澳大利亞的64米的Parkes射電望遠鏡，它們都是全可轉拋物面射電望遠鏡。
加拿大的46米射電望遠鏡（左）和澳大利亞的64米的Parkes射電望遠鏡（右）
“遠太空網(wǎng)絡(luò )工程”（Deep Space Network）項目是隸屬于美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗室，早在1958年就啟動(dòng)。為了讓該系統能夠有更廣闊的視野對太空進(jìn)行觀(guān)測，系統的天線(xiàn)分別部署在三個(gè)不同國家的科研中心，目前深空網(wǎng)絡(luò )由三處呈120度分布的深空通信設施構成，一處在美國加州的戈爾德斯通，處于巴斯托市附近的莫哈維沙漠之中；一處位于西班牙馬德里附近；另一處位于澳大利亞的堪培拉附近。這種安排使得可以連續觀(guān)察地球的自轉的過(guò)程。在加利福尼亞觀(guān)測站有1臺70米，2臺34米，1臺26米，1臺9米的射電望遠鏡，在西班牙有1臺70米，2臺34米，1臺26米獨射電望遠鏡，在堪培拉有1臺70米，2臺34米，1臺26米的射電望遠鏡。
遠太空網(wǎng)絡(luò )工程
英國的Lovell射電望遠鏡
新墨西哥州沙漠中的望遠鏡天線(xiàn)陣
1963年，在位于中美洲波多黎各島上的阿雷西博天文臺（Arecibo Observatory）的阿雷西博射電望遠鏡建成，阿雷西博射電望遠鏡是固定在山谷當中的單口徑球面天線(xiàn)，口徑305米（1000英尺），這是世界上最大的單面口徑射電望遠鏡，由康奈爾大學(xué)管理，后擴建為350米。阿雷西博望遠鏡是固定望遠鏡，不能轉動(dòng)，只能通過(guò)改變天線(xiàn)潰源的位置掃描天空中的一個(gè)帶狀區域。1974年，為慶祝改造完成，阿雷西博望遠鏡向距離地球25,000光年的球狀星團M13發(fā)送了一串由1,679個(gè)二進(jìn)制數字組成的信號，稱(chēng)為阿雷西博信息。阿雷西博信息從上到下依次為：用二進(jìn)制表示的1—10十個(gè)數字；DNA所包含的化學(xué)元素序號；核甘酸的化學(xué)式；DNA的雙螺旋形狀；人的外形；太陽(yáng)系的組成；望遠鏡的口徑和波長(cháng)。阿雷西博信息，信息本身沒(méi)有顏色，顏色是人為標注用于區分的。向球狀星團M13發(fā)送信息的原因是其中的恒星分布比較密集，被地外智慧生命接收的可能性較大。
阿雷西博射電望遠鏡
1972年，德國建成了當時(shí)最大的射電望遠鏡——即直徑為100米的全方位可動(dòng)的Effelsberg射電望遠鏡，德國隨即成為射電天文研究的大國。還有在美國新墨西哥州沙漠中的望遠鏡天線(xiàn)陣（VLA），由27面假設在鐵軌上的口徑為25米的天線(xiàn)組成，排列成Y字形。
Effelsberg射電望遠鏡
綠岸射電望遠鏡
綠岸射電望遠鏡（Green Bank Telescope，GBT）是目前世界上最大的可移動(dòng)射電望遠鏡。望遠鏡高大約有43層樓，直徑110米，于2000年建成。望遠鏡的反射面由兩千多塊小反射板拼接而成，整個(gè)系統使用了精密的自動(dòng)控制技術(shù)。綠岸位于弗吉尼亞州邊界，這里人煙稀少，是全美人口密度最低的地方。周?chē)娜荷绞翘烊坏臒o(wú)線(xiàn)電波屏障。為了排除一切可能的干擾，一絲微波，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的一個(gè)火花在這片區域內都是絕對禁止的。因此，科學(xué)家相信綠岸望遠鏡的靈敏度是最高的。
1980年以來(lái)，已經(jīng)陸續建造數臺亞毫米波望遠鏡，其中就包括加州理工學(xué)院的亞毫米波天文臺（Caltech Submillimeter Observatory）于1988年建成，加拿大與荷蘭共同建造的詹姆斯-克拉克-馬克思威爾望遠鏡（James Clark Maxwell Telescope），美國亞利桑那州的亨利希-赫茲望遠鏡（Heinrich Hertz Telescope）以及瑞典與歐洲南天天文臺的15米亞毫米波望遠鏡（Swedish-ESO Submillimetre Telescope）等。然而上述這些單天線(xiàn)望遠鏡的大小，大約都在10至15米左右，所能達到的空間解析度（空間分辨率）大約是10至20秒弧，為了取得更好的解析度，以便了解觀(guān)測天體的細微結構，自然需要直徑更大的鏡面。
加州理工學(xué)院的亞毫米波天文臺
瑞典與歐洲南天天文臺的亞毫米波望遠鏡
ALMA設想圖
20世紀80年代以來(lái)，歐洲的VLBI網(wǎng)（EVN），美國的VLBA陣（一個(gè)跨距8000公里，由10臺分布全美國的口徑25米射電望遠鏡組成的望遠鏡陣列），日本的VSOP（利用日本HALCA衛星攜帶的8米射電望遠鏡）相繼投入使用，這是新一代射電望遠鏡的代表，它們在靈敏度、分辨率和觀(guān)測波段上都大大超過(guò)了以往的望遠鏡。HALCA的后繼者ASTRO-G（VSOP-2），預計于2012年前后發(fā)射，設計壽命5年。ASTRO-G的天線(xiàn)采用了偏軸卡塞格林式設計，口徑約9米，將在8 GHz、22 GHz和43 GHz三個(gè)波段上工作，最高分辨率是HALCA的10倍。它的目標也包括活動(dòng)星系核、相對論性噴流、河外水脈澤源等，此外巨脈澤源和恒星演化亦被列到了研究計劃之中。目前，歐洲的VLBI網(wǎng)（EVN），美國的VLBA陣和日本的VSOP還組成了干涉儀。
艾倫望遠鏡組群
為了增加射電波段，美國史密松天體物理天文臺和中國臺灣天文與天體物理研究院正在夏威夷建造國際上第一個(gè)亞毫米波干涉陣（SMA），它由8個(gè)6米的天線(xiàn)組成，工作頻率從190GHz到85Hz。
美國國家天文臺（NRAO）的毫米波陣（MMA）、歐洲的大南天陣（LAS）和日本等將組建一個(gè)新的毫米波陣計劃――ALMA（Atacama Large Millimeter Array），ALMA 是由50座直徑12米天線(xiàn)為主陣列，以及由4座12米、12座7米天線(xiàn)組成的，最長(cháng)基線(xiàn)達到10公里以上，工作頻率從70到950GHz。放在安第斯山脈上海拔5000米高的查南托高原（Chajnantor plain）上，預計將在2012年投入使用。
目前射電天文學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應用長(cháng)基線(xiàn)的干涉技術(shù)，將遍布全球的射電望遠鏡綜合起來(lái)，獲得了等效口徑相當于地球直徑量級的射電望遠鏡。2008年，科學(xué)家們終于建立了一個(gè)橫跨四大洲的射電望遠鏡陣，位于波多黎各的阿雷西博天文臺也參加了這一項目。在5月份的一次觀(guān)測運行中，位于北美、南美、歐洲和非洲的所有天線(xiàn)都指向同一方向，所有信號通過(guò)光纖傳遞給位于荷蘭的樞紐中心進(jìn)行處理，形成實(shí)時(shí)圖像。
為了搜尋外星生命，微軟聯(lián)合創(chuàng )辦人保羅·艾倫資助加州大學(xué)伯克力分校2,500萬(wàn)美元，用于艾倫望遠鏡組群（Alen Telescope Array，簡(jiǎn)稱(chēng)ATA）的初步的建設和器材組織。艾倫望遠鏡組群擁有350個(gè)6米長(cháng)的碟形天線(xiàn)，能夠掃描超過(guò)100萬(wàn)個(gè)星系中由智能生物發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電信號。歐洲也將建造一個(gè)新射電天文臺網(wǎng)絡(luò )來(lái)搜索外星文明，這個(gè)射電天文臺網(wǎng)絡(luò )名為低頻陣列（LOFAR），是由2.5萬(wàn)個(gè)小型天線(xiàn)構成的一個(gè)天文臺網(wǎng)絡(luò )。為了獲得足夠清晰銳利的射電圖像，這些天線(xiàn)分別建造在荷蘭、德國、瑞典、法國和英國，覆蓋一個(gè)直徑350公里的區域。
低頻陣列
射電望遠鏡FAST
2006年，中科院國家天文臺的研究員在上海召開(kāi)的“中國天文學(xué)會(huì )2006年學(xué)術(shù)年會(huì )”上表示，將在2013年，在貴州喀斯特洼地建造一座口徑達500米的球面射電望遠鏡FAST。FAST將能接收110億光年外的微弱信號。IT界有個(gè)摩爾定律，天文望遠鏡領(lǐng)域也有，即每隔3年觀(guān)測計算能力要翻一番。而FAST誕生后，至少可以領(lǐng)先世界天文界20—30年。
不過(guò)，目前，來(lái)自15個(gè)國家30個(gè)研究機構的天文學(xué)家正在試圖建造一個(gè)世界上最強大的射電望遠鏡陣列——“平方公里陣列”（Square Kilometer Array，簡(jiǎn)稱(chēng)SKA）。平方公里陣列是計劃中的下一代巨型射電望遠鏡陣，工作在0.10–25GHz的波段，有效接收面積可以達到大約1平方千米，靈敏度將比目前世界上最大的射電望遠鏡還要高50倍。
平方公里陣列將由上千臺天線(xiàn)組成，其中有一半天線(xiàn)位于中央直徑5公里的區域內，另有四分之一的天線(xiàn)散布在周?chē)?50公里的區域內，其余的分布在大約3000公里的范圍內，呈螺旋形排列。平方千米陣預計能夠探測到宇宙大爆炸之后第一代恒星和星系形成時(shí)發(fā)出的電磁波、揭示磁場(chǎng)在恒星和星系演化過(guò)程中的作用、探測暗能量產(chǎn)生的種種效應，甚至有人希望能夠接受到地外智慧生命發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電信號。
平方千米陣計劃始于1993年。在國際無(wú)線(xiàn)電科聯(lián)在日本京都舉行的大會(huì )上，10個(gè)國家的天文學(xué)家聯(lián)合提議建造接受面積為1平方千米的巨型射電望遠鏡陣。初期選址有澳大利亞、南非、中國、阿根廷四個(gè)國家參加了角逐。2006年9月，中國和阿根廷的方案分別由于地理條件以及電離層不穩定而遭到否決[1]。澳大利亞和南非因良好的無(wú)線(xiàn)電環(huán)境成為最后的候選者。澳大利亞的候選臺址位于其西部，距離米卡薩拉（Meekatharra）大約100公里，南非候選站址位于北開(kāi)普省的卡魯盆地，距離卡那封（Carnarvon）大約95公里，部分天線(xiàn)將位于博茨瓦納、納米比亞、莫桑比克、馬達加斯加、毛里求斯、肯尼亞、加納等周邊國家。
平方千米陣計劃將于2008年左右選定最終建造地點(diǎn)，2010年開(kāi)始建造，2015年試運行，2020年開(kāi)始全面運行。整個(gè)項目預計將耗資16億美元。
平方公里陣列（SKA）示意圖
平方公里陣列（SKA）示意圖
聯(lián)系客服
