高分辨率成像空間射電天文臺
——突破分辨率極限的“空-地”觀測網(wǎng)

安濤（中國科學(xué)院上海天文臺）

高分辨率成像空間射電天文臺
——突破分辨率極限的“空-地”觀測網(wǎng)

安濤（中國科學(xué)院上海天文臺）

上海天文臺提出的空間VLBI陣列 （一期）的概念圖，由兩個空間射電望遠(yuǎn)鏡與地面望遠(yuǎn)鏡組網(wǎng)，實現(xiàn)幾十微角秒的分辨率，能夠?qū)诙吹葮O端致密天體成像

一直以來，浩瀚的宇宙神秘而又令人向往，探索宇宙是人類永恒的追求目標(biāo)。一代又一代科學(xué)家克服千辛萬苦，鍥而不舍，不斷提高觀測手段，為的就是更深入了解我們的宇宙，能夠 “看”得更遠(yuǎn)，“看”得更清楚。宇宙中高能的天文現(xiàn)象通常與極端致密的天體（如黑洞）密切相關(guān)，許多與黑洞相關(guān)的前沿天體物理課題都非常依賴于超高分辨率的成像觀測。本文將介紹我國正在推進(jìn)的高分辨率成像空間射電天文臺計劃。

射電天文的起源和發(fā)展

射電天文是天文學(xué)的一個分支，主要是通過射電望遠(yuǎn)鏡接收天體發(fā)射的無線電頻率信號來研究天體的輻射、運動和變化等。與傳統(tǒng)的光學(xué)天文學(xué)相比，射電天文是一個年輕的學(xué)科，始于1930年代早期，在二戰(zhàn)以后獲得了蓬勃發(fā)展。盡管年輕，射電天文已為人類探索宇宙作出了巨大的貢獻(xiàn)。20世紀(jì)60年代天文學(xué)上四大發(fā)現(xiàn)（類星體、脈沖星、星際分子、宇宙微波背景輻射）中的前三個均是射電天文的驕人成績，迄今為止10項授予天文學(xué)研究的諾貝爾物理學(xué)獎中有6項是射電天文學(xué)的貢獻(xiàn)。

與人肉眼看到的可見光不同，射電天文是通過探測天體發(fā)出的無線電波輻射來研究物理和化學(xué)性質(zhì)。無線電波不像可見光那樣受星際消光的限制，這一特點使得人們能夠深入一些天體內(nèi)部看到一個獨特的天象。而且，射電波段的甚長基線干涉測量（VLBI）可以提供最高分辨率的天文觀測技術(shù)。

中國VLBI網(wǎng)：科學(xué)與應(yīng)用

VLBI是一種用于射電天文學(xué)中的干涉測量方法，它允許多個天文望遠(yuǎn)鏡同時觀測一個天體，分辨率角度的觀測效果相當(dāng)于一個大小等于望遠(yuǎn)鏡之間最大間隔距離的巨型望遠(yuǎn)鏡的觀測效果。當(dāng)今天文領(lǐng)域中分辨本領(lǐng)最高的成像觀測技術(shù)，是對黑洞等極端致密天體的細(xì)致結(jié)構(gòu)成像的唯一有效手段。VLBI的分辨率高達(dá)毫角秒甚至亞毫角秒量級，如此高分辨率成像相當(dāng)于能從地球上看清楚月面上一只籃球。

從歷史上看，對未知領(lǐng)域的探索從來都不吝于帶給人類新的發(fā)現(xiàn)，很多時候會引發(fā)天文和物理學(xué)上的革命。天文學(xué)是一門以觀測為基礎(chǔ)的學(xué)科，先進(jìn)的觀測儀器是取得創(chuàng)新和突破的前提?？v觀天文學(xué)史，每一次重大天文發(fā)現(xiàn)都伴隨著望遠(yuǎn)鏡設(shè)備和觀測技術(shù)的革新。

我國的射電天文盡管起步較國際上晚了二三十年，但隨著國家綜合國力的不斷增強，自2000年后我國相繼建造完成了3臺40-65米的射電天文望遠(yuǎn)鏡，還有一臺500米口徑的望遠(yuǎn)鏡正在建造之中。這些大口徑望遠(yuǎn)鏡組成了中國VLBI網(wǎng)，不僅是探測天體細(xì)致結(jié)構(gòu)的利器，而且為我國探月工程中嫦娥衛(wèi)星的精密測定軌作出重要貢獻(xiàn)。我國在高分辨率射電成像方面已經(jīng)逐步走到世界前列，為下一步實現(xiàn)跨越式發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

高分辨率成像空間射電天文臺

隨著認(rèn)知領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，天文學(xué)家對精細(xì)成像觀測提出更高的要求。對高分辨率成像的追求把人們的思維引向太空，科學(xué)家們設(shè)想利用在衛(wèi)星上搭載射電望遠(yuǎn)鏡與地球上望遠(yuǎn)鏡組成“空-地”觀測網(wǎng)，從而實現(xiàn)地球上無法逾越的分辨率極限，這就是高分辨率成像空間射電天文臺 （以下簡稱為空間VLBI）的初衷?？臻gVLBI是地面VLBI的自然延伸，是射電天文觀測技術(shù)在提高觀測分辨率方面的一項重大突破?？臻gVLBI的最大優(yōu)勢是擁有比地面VLBI網(wǎng)更長的基線，能夠達(dá)到幾萬公里甚至幾十萬公里，從而將分辨率提高了數(shù)倍甚至數(shù)十倍。在過去40年的不懈努力下，日本和俄羅斯的天文學(xué)家已經(jīng)成功地先后各自發(fā)射了一顆空間射電望遠(yuǎn)鏡，開展空間VLBI觀測研究。下圖展示了日本主導(dǎo)的世界上第一個空間VLBI項目（VSOP），不同波段不同望遠(yuǎn)鏡拍攝到類星體3C273的圖片，位于最下方的空間VLBI圖片展示了從星系核心噴射出的高度相對論性噴流，類似的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)是其他波段無法企及的。

中國科學(xué)院上海天文臺在國際上空間單星成功的基礎(chǔ)上，提出一個雄心勃勃的計劃：發(fā)射雙星甚至多星，這些空間望遠(yuǎn)鏡不僅與地面組成更加龐大的 “空-地”VLBI網(wǎng)，而且可以形成空間VLBI陣列。目前國際上因為其他大型射電天文項目（如阿塔卡馬亞毫米波天線陣ALMA和平方公里陣SKA）建設(shè)的原因，無力推進(jìn)類似空間VLBI陣，這對我國天文學(xué)家來說是一個機(jī)遇。

上海天文臺提出的空間VLBI陣列計劃的路線圖有三個重要節(jié)點。第一個重要節(jié)點是計劃在2016-2020年發(fā)射兩顆衛(wèi)星，各搭載一架10米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡，最高工作頻率在43GHz，遠(yuǎn)地點距離為60 000公里，與地面望遠(yuǎn)鏡組陣實現(xiàn)20微角秒的超高分辨率，能夠?qū)顒有窍岛说膰娏鲊娮?、距離銀河系最近的超大黑洞M87的邊界進(jìn)行首次成像，對黑洞的理論模型提出嚴(yán)格的觀測檢驗。

由于黑洞強大的引力場，光子都無法逃逸，因此我們永遠(yuǎn)無法看到黑洞自身的面貌，只能繪制黑洞周邊區(qū)域的輪廓。黑洞周圍的吸積盤在黑洞強引力場下，會呈現(xiàn)出如上圖所示不對稱的月牙狀圖像。美國科學(xué)家Avery E.Broderick和Abraham Loeb通過理論計算和數(shù)值模擬得到了超大黑洞邊界的圖像，不同的形態(tài)反映了黑洞不同的自旋和視角。空間VLBI陣列將直接攝取黑洞邊界圖像，一方面給出黑洞存在的確鑿證據(jù)，另一方面直接測量黑洞的質(zhì)量、尺寸和自旋。

為了能夠滿足20微角秒成像的要求，空間VLBI陣列對空間望遠(yuǎn)鏡的型面精度和指向精度、衛(wèi)星平臺的姿控穩(wěn)定性、星載致冷接收機(jī)、星載氫原子鐘、時間頻率同步、星地高速數(shù)傳、定軌精度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)都提出了幾近苛刻的要求，每一項都極具挑戰(zhàn)，代表了相應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域的最高水平甚至是突破方向，技術(shù)難度可想而知。但正是這種機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的誘惑吸引著天文學(xué)家不斷突破自身，大膽地開拓創(chuàng)新。中科院上海天文臺首次開展了空間VLBI陣列的科學(xué)論證，有望推進(jìn)廣義相對論等基礎(chǔ)物理的進(jìn)步和完善，是人類向探索黑洞等宇宙神秘天體邁出的重要一步。

[責(zé)任編輯：彥 隱]