最大的射电天文望远镜(射电天文望远镜主要起什么作用)

除了对科技发展的推动, “天眼”还向世界展示了中国的科技实力。作为一个全球非常引人注目的项目,“天眼”吸引了全世界的关注。通过建造和运营这样一个重大的科技工程,可以向世界展示中国的科技实力,在国际上获得更多的声誉和认可。在此过程中,中国还能与其他国家和机构进行合作,共同探索宇宙和科学研究。

最早的太阳射电观测始于20世纪30年代。美国人格罗·雷伯在1937年成功制造首架抛物面射电望远镜(图2),探测到了太阳及其它天体发出的射电波。二战期间英国防空部队的炮瞄雷达突然受到强烈的电波干扰。后来科学家J.S Hey发现这是起因于太阳的天然现象。太阳射电天文学开始发展起来。

讲到这里,让我们再做一个回顾:

双星脉冲星是指附近有白矮星或中子星的脉冲星,它们围绕脉冲星运行以平衡脉冲星的质量和引力方向。

由于制造单体巨型雷达的工程难度极大,科学家们借鉴昆虫“复眼”的原理,用许多台大功率高灵敏度的雷达组成“天线阵列”,利用分布式技术达到一台巨型雷达的效果。

这条长21厘米的氢线是由爱德华·珀塞尔和哈罗德·埃文在1951年发现并观测到的,从那时起射电天文学家就一直在确定银河系中的中性氢的位置。21cm氢线有助于天文学家确定银河系中的氢的位置,使银河系的螺旋结构得以出版。

项目二期“超大分布孔径雷达高分辨率深空域主动观测设施预研项目”模拟动画截图。(北京理工大学重庆创新中心供图)

世界上最大的射电望远镜是位于波多黎各阿雷西博的阿雷西博望远镜。尽管射电望远镜从20世纪30年代就开始使用了,但阿雷西博自1960年才开始在天文学发现中发挥重要作用。由康奈尔大学开发和操作的射电望远镜现在是非常有价值的工具,用于观察我们用普通望远镜无法看到的物体。

网友:“中国复眼”和“中国天眼”有什么不同?

毫秒脉冲星是自转周期非常快的中子星。

3月29日拍摄的夜幕下的“中国天眼”(维护保养期间拍摄)。新华社记者 欧东衢 摄

什么是射电天文学?

项目一期“分布式雷达天体成像测量仪验证试验场”。(北京理工大学重庆创新中心供图)

现代的射电望远镜可以获得很多成像细节,而两台望远镜可以配对,从而得到更多的细节。使用一架望远镜发射和另一架望远镜接收可以得到比一架望远镜多得多的细节,这是一项无价的技术,可以获得近距离、缓慢旋转的小行星的雷达图像。

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图为脉冲星

流量计主要用于太阳射电辐射总流量的常规监测,目前国内外仍有许多同类设备在运行,例如我国明安图观测基地的三频点太阳射电望远镜(图3左)和美国空军天文台的射电太阳望远镜监测网等。

天文学家正在把遍布银河系的脉冲星当作一个巨大的科学仪器,用来直接探测爱因斯坦广义相对论预言的引力波。

尽管中国为他们的FAST望远镜加装并且调试了用于搜寻外星文明的专用设备,但这并不是中国天眼系统最主要的工作,这座超大型射电天文望远镜最主要的工作,就是接收来自宇宙的各种无线电波,并根据它们提供的信息还原宇宙当年的模样,尤其是最近一段时间,中国天眼最主要的工作是寻找脉冲星和中性氢,然后才是观测可能出现的外星人讯号。

巨大的天线是射电望远镜最显著的标志,它的种类很多,有抛物面天线,球面天线,半波偶极子天线,螺旋天线等。最常用的是抛物面天线。天线对射电望远镜来说,就好比是它的眼睛,它的作用相当于光学望远镜中的物镜。它要把微弱的宇宙无线电信号收集起来,然后通过一根特制的管子(波导)把收集到的信号传送到接收机中去放大。接收系统的工作原理和普通收音机差不多,但它具有极高的灵敏度和稳定性。接收系统将信号放大,从噪音中分离出有用的信号,并传给后端的计算机记录下来。记录的结果为许多弯曲的曲线,天文学家分析这些曲线,得到天体送来的各种宇宙信息。(王蔚)

阿雷西博天文台的飞机视图

然而,更大的望远镜并不一定能够看得更远。虽然更大的望远镜能够收集更多的光线,但是也需要克服更多的技术难题。例如,更大的望远镜需要更稳定的平台来避免颤动和震动,还需要更复杂的光学系统来确保精确的聚焦和图像质量。因此,设计和建造更大的望远镜是一项挑战性的任务,需要耗费大量的时间、资源和技术。

3月31日,FAST工程师展示提交观测申请的登录页面。新华社记者 欧东衢 摄

3月30日,工作人员在“中国天眼”索驱动机房内维护保养设备(维护保养期间拍摄)。新华社记者 欧东衢 摄

图1. 地球大气窗口(图源:修改自维基百科)

图2. 左图是格罗.雷柏设计的首架“碟形”射电望远镜,右图为原尺寸复制(图源:百度+维基百科)

表1. 现代太阳射电望远镜分类

图3. 左图是我国明安图观测基地三频点太阳射电望远镜,右图是怀柔观测基地的太阳射电宽带动态频谱仪(图源:谭程明摄)

图4. 美国甚大阵VLA,共27面天线,Y型排列,单天线直径25米,最长基线36公里。用于观测太阳、恒星和银河系等天体(图源:百度)

图5. 日本野边山天文台射电日像仪NoRH,84面天线,T型排列,单天线直径80cm,最长基线490米,太阳专用望远镜(图源:
http://solar.nro.nao.ac.jp/norh/html/gallery/norh.png)

图6. 欧洲低频阵列LOFAR,是目前最大的低频射电望远镜阵列,可用于太阳观测(图源:左图谷歌地图,右图搜狐网)

图7. 阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜ALMA,共64面口径12米的射电天线,位于智利,欧洲、北美等多国共有,可用于太阳观测(图源:百度)

图8. 俄罗斯科学院位于高加索的RATAN-600望远镜,直径576米,由895个11.4*2米的抛物面带型天线组成一个环形阵,主要用于太阳观测,具有非常灵敏的偏振测量能力(图源:百度)

明安图射电频谱日像仪MUSER,由100面分列于三条阿基米德螺旋线的抛物面天线组成,最长基线3.2公里。这是我国研制的、国际上首次实现在厘米-分米波段上同时以高时间、高空间和高频率分辨率的观测的新一代太阳频谱日像仪,首次形成太阳能量释放和初始传播区的瞬间“三维”成像观测,类似于给太阳做快速CT。图9左图为三维模型图,右图为中心区天线阵。

图9. 明安图射电频谱日像仪MUSER(图源:左图国家天文台制作,右图颜毅华摄影)

图10. 左图为WIND飞行器,装置有WAVES频谱仪(13.8MHz—0.03MHz)。右图是我国嫦娥4号中继星,上面装置有长波探测器NCLE(80kHz-80MHz)(图源:左图
https://wind.nasa.gov/gallery.php,右图百度)

太阳爆发起源、日冕加热、灾害性空间天气预报等重大科学与应用研究都依赖于太阳元爆发机理、微耀斑物理、三维磁结构及动力学特征的亚角秒空间分辨率、毫央斯基灵敏度的观测,现有太阳射电望远镜均难以满足这一需求。国际上目前在建的平方公里射电阵(Square Kilometer Array,缩写为SKA)是一个巨型射电望远镜阵列,将为太阳射电天文学带来新的机遇。