三国志姜维传吃果:世界著名射电望远镜集锦 - Alex Keaver的日志

世界著名射电望远镜集锦

  射电天文学中按电磁波波段区分﹐使用毫米波段（波长1—10毫米，频率为30—300GHz）和亚毫米波段（波长约为0.35—1毫米，频率为300—1,100GHz）进行天文观测研究的一个分支。20世纪50年代研制成一系列小型毫米波射电望远镜﹐主要用于测量大气对毫米波传播的效应和观测太阳﹑月球和行星的准热辐射。到六十年代后期﹐从毫米波向短波方向和从红外波段向长波方向的技术发展使天文观测进入了亚毫米波段。亚毫米波与较低频段的微波相比，其特点是：①可利用的频谱范围宽，信息容量大；②天线易实现窄波束和高增益，因而分辨率高，抗干扰性好；③穿透等离子体的能力强；④多普勒频移大，测速灵敏度高。其缺点是在大气中的传播衰减严重和器件加工的精度要求高。毫米波、亚毫米波与光波相比，受自然光和热辐射源的影响小。 

1962年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的赖尔（Martin Ryle，1918—1984）利用干涉的原理，发明了综合孔径射电望远镜，大大提高了射电望远镜的分辨率。其基本原理是：用相隔两地的两架射电望远镜接收同一天体的无线电波，两束波进行干涉，其等效分辨率最高可以等同于一架口径相当于两地之间距离的单口径射电望远镜。赖尔因为此项发明获得1974年诺贝尔物理学奖。 

1946年﹐英国曼彻斯特大学开始建造直径66.5米的固定抛物面射电望远镜。1957年10月，英国的Lovell射电望远镜于投入使用，直径达到76米。最初用于跟踪运载火箭，后来在美国和俄罗斯早期的航天探测中发挥作用。1959年，Lovell射电望远镜最先接收到一架俄罗斯月球探测器发回来的图片。20世纪60年代以来﹐相继建成的有美国国立射电天文台的42.7米射电望远镜，加拿大的46米射电望远镜﹑澳大利亚的64米的Parkes射电望远镜，它们都是全可转抛物面射电望远镜。

加拿大的46米射电望远镜（左）和澳大利亚的64米的Parkes射电望远镜（右）

“远太空网络工程”（Deep Space Network）项目是隶属于美国宇航局喷气推进实验室，早在1958年就启动。为了让该系统能够有更广阔的视野对太空进行观测，系统的天线分别部署在三个不同国家的科研中心，目前深空网络由三处呈120度分布的深空通信设施构成，一处在美国加州的戈尔德斯通，处于巴斯托市附近的莫哈维沙漠之中；一处位于西班牙马德里附近；另一处位于澳大利亚的堪培拉附近。这种安排使得可以连续观察地球的自转的过程。在加利福尼亚观测站有1台70米，2台34米，1台26米，1台9米的射电望远镜，在西班牙有1台70米，2台34米，1台26米独射电望远镜，在堪培拉有1台70米，2台34米，1台26米的射电望远镜。

远太空网络工程

英国的Lovell射电望远镜

新墨西哥州沙漠中的望远镜天线阵

1963年，在位于中美洲波多黎各岛上的阿雷西博天文台（Arecibo Observatory）的阿雷西博射电望远镜建成，阿雷西博射电望远镜是固定在山谷当中的单口径球面天线，口径305米（1000英尺），这是世界上最大的单面口径射电望远镜，由康奈尔大学管理，后扩建为350米。阿雷西博望远镜是固定望远镜，不能转动，只能通过改变天线溃源的位置扫描天空中的一个带状区域。1974年，为庆祝改造完成，阿雷西博望远镜向距离地球25,000光年的球状星团M13发送了一串由1,679个二进制数字组成的信号，称为阿雷西博信息。阿雷西博信息从上到下依次为：用二进制表示的1—10十个数字；DNA所包含的化学元素序号；核甘酸的化学式；DNA的双螺旋形状；人的外形；太阳系的组成；望远镜的口径和波长。阿雷西博信息，信息本身没有颜色，颜色是人为标注用于区分的。向球状星团M13发送信息的原因是其中的恒星分布比较密集，被地外智慧生命接收的可能性较大。

阿雷西博射电望远镜

1972年，德国建成了当时最大的射电望远镜——即直径为100米的全方位可动的Effelsberg射电望远镜，德国随即成为射电天文研究的大国。还有在美国新墨西哥州沙漠中的望远镜天线阵（VLA），由27面假设在铁轨上的口径为25米的天线组成，排列成Y字形。

Effelsberg射电望远镜

绿岸射电望远镜

    绿岸射电望远镜（Green Bank Telescope，GBT）是目前世界上最大的可移动射电望远镜。望远镜高大约有43层楼，直径110米，于2000年建成。望远镜的反射面由两千多块小反射板拼接而成，整个系统使用了精密的自动控制技术。绿岸位于弗吉尼亚州边界，这里人烟稀少，是全美人口密度最低的地方。周围的群山是天然的无线电波屏障。为了排除一切可能的干扰，一丝微波，汽车发动机的一个火花在这片区域内都是绝对禁止的。因此，科学家相信绿岸望远镜的灵敏度是最高的。

1980年以来，已经陆续建造数台亚毫米波望远镜，其中就包括加州理工学院的亚毫米波天文台（Caltech Submillimeter Observatory）于1988年建成，加拿大与荷兰共同建造的詹姆斯-克拉克-马克思威尔望远镜（James Clark Maxwell Telescope），美国亚利桑那州的亨利希-赫兹望远镜（Heinrich Hertz Telescope）以及瑞典与欧洲南天天文台的15米亚毫米波望远镜（Swedish-ESO Submillimetre Telescope）等。然而上述这些单天线望远镜的大小，大约都在10至15米左右，所能达到的空间解析度（空间分辨率）大约是10至20秒弧，为了取得更好的解析度，以便了解观测天体的细微结构，自然需要直径更大的镜面。

加州理工学院的亚毫米波天文台

瑞典与欧洲南天天文台的亚毫米波望远镜

ALMA设想图

20世纪80年代以来，欧洲的VLBI网（EVN），美国的VLBA阵（一个跨距8000公里，由10台分布全美国的口径25米射电望远镜组成的望远镜阵列），日本的VSOP（利用日本HALCA卫星携带的8米射电望远镜）相继投入使用，这是新一代射电望远镜的代表，它们在灵敏度、分辨率和观测波段上都大大超过了以往的望远镜。HALCA的后继者ASTRO-G（VSOP-2），预计于2012年前后发射，设计寿命5年。ASTRO-G的天线采用了偏轴卡塞格林式设计，口径约9米，将在8 GHz、22 GHz和43 GHz三个波段上工作，最高分辨率是HALCA的10倍。它的目标也包括活动星系核、相对论性喷流、河外水脉泽源等，此外巨脉泽源和恒星演化亦被列到了研究计划之中。目前，欧洲的VLBI网（EVN），美国的VLBA阵和日本的VSOP还组成了干涉仪。

艾伦望远镜组群

为了增加射电波段，美国史密松天体物理天文台和中国台湾天文与天体物理研究院正在夏威夷建造国际上第一个亚毫米波干涉阵（SMA），它由8个6米的天线组成，工作频率从190GHz到85Hz。

美国国家天文台（NRAO）的毫米波阵（MMA）、欧洲的大南天阵（LAS）和日本等将组建一个新的毫米波阵计划――ALMA（Atacama Large Millimeter Array），ALMA 是由50座直径12米天线为主阵列，以及由4座12米、12座7米天线组成的，最长基线达到10公里以上，工作频率从70到950GHz。放在安第斯山脉上海拔5000米高的查南托高原（Chajnantor plain）上，预计将在2012年投入使用。 

目前射电天文学领域已经广泛应用长基线的干涉技术，将遍布全球的射电望远镜综合起来，获得了等效口径相当于地球直径量级的射电望远镜。2008年，科学家们终于建立了一个横跨四大洲的射电望远镜阵，位于波多黎各的阿雷西博天文台也参加了这一项目。在5月份的一次观测运行中，位于北美、南美、欧洲和非洲的所有天线都指向同一方向，所有信号通过光纤传递给位于荷兰的枢纽中心进行处理，形成实时图像。 

为了搜寻外星生命，微软联合创办人保罗·艾伦资助加州大学伯克力分校2,500万美元，用于艾伦望远镜组群（Alen Telescope Array，简称ATA）的初步的建设和器材组织。艾伦望远镜组群拥有350个6米长的碟形天线，能够扫描超过100万个星系中由智能生物发出的无线电信号。欧洲也将建造一个新射电天文台网络来搜索外星文明，这个射电天文台网络名为低频阵列（LOFAR），是由2.5万个小型天线构成的一个天文台网络。为了获得足够清晰锐利的射电图像，这些天线分别建造在荷兰、德国、瑞典、法国和英国，覆盖一个直径350公里的区域。

低频阵列

射电望远镜FAST

2006年，中科院国家天文台的研究员在上海召开的“中国天文学会2006年学术年会”上表示，将在2013年，在贵州喀斯特洼地建造一座口径达500米的球面射电望远镜FAST。FAST将能接收110亿光年外的微弱信号。IT界有个摩尔定律，天文望远镜领域也有，即每隔3年观测计算能力要翻一番。而FAST诞生后，至少可以领先世界天文界20—30年。 

不过，目前，来自15个国家30个研究机构的天文学家正在试图建造一个世界上最强大的射电望远镜阵列——“平方公里阵列”（Square Kilometer Array，简称SKA）。平方公里阵列是计划中的下一代巨型射电望远镜阵，工作在0.10–25GHz的波段，有效接收面积可以达到大约1平方千米，灵敏度将比目前世界上最大的射电望远镜还要高50倍。 

平方公里阵列将由上千台天线组成，其中有一半天线位于中央直径5公里的区域内，另有四分之一的天线散布在周围150公里的区域内，其余的分布在大约3000公里的范围内，呈螺旋形排列。平方千米阵预计能够探测到宇宙大爆炸之后第一代恒星和星系形成时发出的电磁波、揭示磁场在恒星和星系演化过程中的作用、探测暗能量产生的种种效应，甚至有人希望能够接受到地外智慧生命发出的无线电信号。 

平方千米阵计划始于1993年。在国际无线电科联在日本京都举行的大会上，10个国家的天文学家联合提议建造接受面积为1平方千米的巨型射电望远镜阵。初期选址有澳大利亚、南非、中国、阿根廷四个国家参加了角逐。2006年9月，中国和阿根廷的方案分别由于地理条件以及电离层不稳定而遭到否决[1]。澳大利亚和南非因良好的无线电环境成为最后的候选者。澳大利亚的候选台址位于其西部，距离米卡萨拉（Meekatharra）大约100公里，南非候选站址位于北开普省的卡鲁盆地，距离卡那封（Carnarvon）大约95公里，部分天线将位于博茨瓦纳、纳米比亚、莫桑比克、马达加斯加、毛里求斯、肯尼亚、加纳等周边国家。 

平方千米阵计划将于2008年左右选定最终建造地点，2010年开始建造，2015年试运行，2020年开始全面运行。整个项目预计将耗资16亿美元。

平方公里阵列（SKA）示意图 

平方公里阵列（SKA）示意图