探索宇宙奥秘的“巨眼”——长白山40米口径射电望远镜

2024-12-09 09:34世界奇闻

2024年8月27日下午，中国科学院携手中国电科网络通信研究院联合研制的长白山40米口径射电望远镜项目，在吉林省长白山已经顺利完成了天线系统的主反射体吊装。与这一望远镜同时在建的还有西藏日喀则的一台40米口径射电望远镜，它们将成为横跨东西的两只“巨眼”，在我国的探月工程以及深空探测任务中发挥重要作用。

星际侦探：射电望远镜的发展与现状

射电望远镜是一种专门用来接收天体在射电波段发出的辐射的天文仪器，能够对天体的射电辐射的强度、频谱以及偏振等参数进行测量，是捕捉宇宙中电磁波信息的重要工具。20世纪30年代初，美国著名无线电工程师与天文学家卡尔·央斯基研制了一台由天线和接收机组成的设备，并用其发现了银河系中心的射电辐射，标志着射电天文学的诞生。这台外形酷似“旋转木马”的设备，也被称为“旋转木马”射电望远镜。除了射电天文观测之外，有不少大型射电望远镜还应用于深空探测领域。

天线是射电望远镜的关键部件，它能够有效地捕捉那些微弱的射电信号，并将其转化为可测量的电信号。具体来说，就是当来自星星或其他天体的射电波到达望远镜时，电波被主反射面接收，反射到副面，副面再次反射并汇集到馈源（望远镜用来接收宇宙外来信号的装置系统），电波的能量即转换为电信号。然后这些电信号被专门的接收设备进行放大和处理，最终转化为可供天文学家研究的数据。

射电望远镜反射面板及馈源的位置示意图

根据不同的观测目标和工作频段的需要，大型射电望远镜的天线具有各种不同的形式，主要有旋转抛物面天线、抛物柱面天线和球面天线等。

旋转抛物面射电望远镜汇聚信号的基本原理与汽车车灯装置类似，都是利用了抛物面能将平行光汇聚到一点的几何特性。旋转抛物面天线可以获得较高的天线效率和接近全天区的空间观测范围，因此是大型全可动射电望远镜中应用最多的形式。但是，由于在进行跟踪观测时需要整个天线都随着目标源转动，旋转抛物面射电望远镜的最大口径受到了工程极限的限制，目前仍局限在百米量级。

旋转抛物面天线：日喀则40米射电望远镜

球面天线则突破了这种技术限制，它具有良好的对称性，可以固定不动，从而实现了更大口径射电望远镜的建设。它的缺点是不能将平行光聚到一点，需要进行相差的二次修正。

球面天线：500米口径球面射电望远镜FAST

抛物柱面天线效率较低，一般应用于低频或特殊需求的场合，例如天籁项目中用于暗能量射电探测的阵列就是用的抛物柱面天线。

抛物柱面天线：IPS望远镜主站

灵敏度和角分辨率是射电望远镜性能的两项重要指标，它们都与射电望远镜的口径有关，口径越大，灵敏度越高，角分辨率也越高。因此，尽可能提高射电望远镜的口径一直是天文学家孜孜不倦的追求。最早的雷伯射电望远镜口径才不到10米，而今世界上最大的单口径射电望远镜是中国贵州的FAST，其口径达到了500米。

20世纪60年代，高稳定原子频标技术和高速磁记录技术不断发展，射电天文学家在传统的连线干涉仪基础上，创建了以“独立本振”和“磁介质记录”为特点的VLBI技术。此后，美国、欧洲、日本、澳大利亚等地的VLBI网相继投入使用。

VLBI，又叫甚长基线干涉测量，是当前天文学使用的一项高分辨率、高测量精度的观测技术。VLBI的原理就是把相距几千、上万公里的射电望远镜联合起来同时观测同一个目标源并组合成一台巨大望远镜的技术。望远镜之间的距离，也就是基线越长，这个“虚拟望远镜”的“等效口径”就越大，其观测灵敏度和空间分辨率也越高。

全球最大综合孔径射电望远镜-平方公里阵列射电望远镜示意图

中国VLBI网于2007年在探月工程支持下建立。中国科学院上海天文台基于射电天文领域的基于在射电天文领域的深厚积累，首次将实时VLBI技术应用于嫦娥一号任务，组织中国科学院所属天文台的优势力量，建成由“四站一中心”组成的中国VLBI网，构建了测控系统VLBI测轨分系统。

森林巨眼：长白山40米射电望远镜的奥秘与使命

随着中国VLBI技术的发展，为了应对多个月球与深空探测器的观测需求，中国科学院于2023年9月和10月分别启动了日喀则和长白山的40米口径射电望远镜项目建设。

长白山冬季空气干燥，晴天数多，尤其适合望远镜开展高频段观测。经过地质勘查，长白山马鞍山林场的地质条件优越，能够满足40米射电望远镜桩基承载要求。最终，长白山40米口径射电望远镜，落户于吉林省长白山保护开发区池西区管委会马鞍山林场。

相对于上海天马望远镜的经度位置，长白山40米射电望远镜更靠近中国版图东侧，比天马望远镜向东增加6.6度，将比天马望远镜早26分钟捕获到深空目标。

长白山40米口径射电望远镜的天线系统采用全实面面板，单块面板精度优于80微米，主反射体面型精度优于0.3毫米；最高指向精度优于5角秒；采用整体保温技术，主反射体背架用保温材料包裹，确保望远镜在东北的严寒环境中正常运行。

建成后的长白山40米射电望远镜将是一台集全实面、全可动、高精度、多用途于一体的射电望远镜。该望远镜将装备7个波段的高灵敏度制冷接收机，覆盖从700MHz至50GHz的连续频谱，并支持双频段同步观测，更预留了升级至86GHz观测的潜力。

上海65米口径天马望远镜、上海25米口径佘山望远镜、云南昆明40米口径望远镜和乌鲁木齐南山25米口径望远镜组成VLBI网

至此，日喀则和长白山这两台望远镜的加入，中国VLBI网将由“四站一中心”升级为“六站一中心”，最长基线即“等小口径”将超过原有上海和乌鲁木齐之间约3200公里，拓展到约3800公里，最大角分辨率也提升18%。在不久的将来，两台望远镜将共同助力中国VLBI网具备“双子网、双目标”能力，提升中国射电天文科学研究能力，推动中国在超大质量黑洞、致密天体快速时变及引力波电磁对应体、银河系动力学研究、高精度天地一体化参考架等一系列天文学前沿领域的研究中取得更多创新性成果。

部分信息来源于光明网、中国新闻网、中国青年报、中国科学院等

（科学性审核：刘庆会，射电天文科学与技术研究室副主任）