射電望遠鏡的大家族

北辰

自從伽利略發(fā)明光學(xué)天文望遠鏡以來，人類探索星空的手段就一直以光學(xué)技術(shù)為主，望遠鏡甚至成為我們探索宇宙秘密的唯一工具。但是宇宙并沒有那么簡單，來自天體的信號不僅有光波，還有大量紫外輻射和紅外輻射。

大耳朵射電望遠鏡

1931年，一個非常意外的發(fā)現(xiàn)，成就了人類另一種探索宇宙的方法，另一個觀察宇宙的窗口。那一年，在美國的貝爾實驗室，年輕的無線電工程師央斯基在研究長途電訊干擾時，用自己設(shè)計安裝的一種方向性很強的天線，在14.6米的波長上接收到了一個每隔23時56分04秒就會出現(xiàn)最大值的無線電干擾信號。這是一個非常穩(wěn)定的噪音信號，它跟地球的自轉(zhuǎn)周期一致。很明顯，它來自于太空。

于是，射電天文學(xué)誕生了。最初的射電天文望遠鏡使用拋物面接收來自宇宙的射電信號。這種拋物面就像是一口大鍋，下面帶有自動跟蹤裝置，可以跟蹤天體的運行。80多年過去了，射電天文學(xué)得到了飛速的發(fā)展，射電望遠鏡的外形也發(fā)生了巨大的改變。

綠岸射電望遠鏡

如今，這個家族越來越龐大，各式各樣的射電望遠鏡也一一出現(xiàn)。不僅如此，射電望遠鏡還可以組成大規(guī)模、形式多樣的陣列，這也大大加強了人類探索宇宙的能力。

設(shè)計簡單的“大喇叭”

當(dāng)代美國貝爾實驗室的研究人員是無線電研究的先驅(qū)，他們不僅發(fā)現(xiàn)了射電信號，而且還繼續(xù)深入研究。1964年，美國貝爾實驗室的人員發(fā)現(xiàn)了來自天空的訊號。這個訊號不隨時間改變，24小時存在，與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)。這就是宇宙微波背景輻射，它是宇宙發(fā)生大爆炸的最好證明。

AKP-1000

發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射的是一臺“大喇叭”——大耳朵射電望遠鏡。大喇叭的張口和長度達到了最佳匹配。它被固定在一個大圓環(huán)上，轉(zhuǎn)動起來就能調(diào)節(jié)仰望天空的角度。這種射電望遠鏡設(shè)計簡單，造價低廉，是那個時代最具代表性的人類作品之一。不過，隨著建造技術(shù)的快速發(fā)展，它開始慢慢步入冷宮。

特別的“綠岸”

射電望遠鏡基本都形似大鍋，那個拋物面天線，能夠把射電訊號聚焦在焦點處，由焦點上的饋源裝置來處理、研究訊號。此外，“大鍋”需要瞄準(zhǔn)天空中的不同目標(biāo)，所以還得配備旋轉(zhuǎn)裝置，而各口“大鍋”的旋轉(zhuǎn)方式也不盡相同。

綠岸射電望遠鏡

位于美國西弗吉尼亞州的“羅伯特·C·伯德綠岸望遠鏡”就非常特別，它的直徑為110米，具有射電望遠鏡最典型的特征，只不過那個圓形大鍋不是圓球的切面，而是拋物面。那個拋物面是它最主要的部件，由2000多塊反射板拼接而成。綠岸射電望遠鏡是目前這個星球上最大的陸基可移動結(jié)構(gòu)，也是最靈敏的單體射電望遠鏡。在一個群山環(huán)繞的地方，“綠岸”可以不受任何電磁波的干擾，一心一意地追尋宇宙信號。

猶如十字架的ДКР-1000

在蘇聯(lián)時代，俄羅斯建造了一個“奇葩”的跨波段射電望遠鏡——ДКР-1000。它就像是一個巨大的十字架，從南北兩個方向伸展長臂，長度都是1000米。每個長臂表面看起來像是現(xiàn)代的槽式太陽能發(fā)電裝置使用的聚熱拋物槽，但卻比太陽能拋物槽寬大得多，寬度達到40米。它的拋物面被一根根電纜，也就是子饋源代替，東西臂有288個偶極子饋源，南北臂安裝了626個偶極子饋源。

低頻陣列

ДКР-1000可以調(diào)節(jié)其南北臂展開的程度，無數(shù)條天線就懸掛在線索上，如同一張巨型五線譜。事實上，它還真的可以“彈奏”出音樂。當(dāng)微風(fēng)吹來時，天線們就會“演奏”出奇妙的哨音，史詩巨片《戰(zhàn)爭與和平》的創(chuàng)作人甚至還錄制了這樣一段音樂，放在了影片中。

ДКР-1000體型巨大，靈敏度高，可以探測2.5～10米波長范圍的無線電波，因此屬于跨波段射電望遠鏡。ДКР-1000為射電天文學(xué)的研究提供了大量數(shù)據(jù)，同時也引領(lǐng)了射電望遠鏡組成陣列的風(fēng)潮，大大提升了人類的觀測能力。

500米口徑球面的中國射電望遠鏡

覆蓋半個歐洲的低頻陣列

歐洲大陸建有一個射電望遠鏡陣列——低頻陣列（LOFAR）。這個低頻陣列更像是一種多用途工具，研究范圍從無線電波到遙遠的宇宙現(xiàn)象，還有那些由宇宙射線撞擊地球大氣層所產(chǎn)生的現(xiàn)象。宇宙中存在著很多高能粒子，它們在進入地球大氣層的過程中，都會與空氣中的分子發(fā)生作用，引發(fā)一系列反應(yīng)。因此低頻陣列既能探測來自宇宙的電波，也能探測地球大氣層的電磁爆發(fā)。

低頻陣列與之前介紹的射電望遠鏡不太一樣，它的天線是棒狀的。射電望遠鏡的天線大致可以分為盤狀的和棒狀的，而“大鍋”就屬于盤狀天線一類。低頻陣列的天線看起來就像是剛剛栽植的樹木，為了保持穩(wěn)定，工作人員還會為每根天線輔以鏈條支撐。

由2.5萬根天線組成的低頻陣列，覆蓋了350平方千米的區(qū)域。它的主陣在荷蘭，5條旋臂伸展開來，進入德國、瑞典、法國和英國，屬于五臂對數(shù)螺旋陣列。若從高空俯瞰，低頻陣列的形狀就像是宇宙中的漩渦星系。

300米口徑的阿雷西博射電望遠鏡

FAST成就中國驕傲

為了追求更好的性能，射電望遠鏡的尺寸通常都非常巨大，但尺寸的增大又會給望遠鏡的轉(zhuǎn)動帶來不少麻煩。機智的美國科學(xué)家在波多黎各的大山中找到了一個火山口，在那里依山而建，修成了阿雷西博射電望遠鏡。

阿雷西博射電望遠鏡的直徑是300米，曾經(jīng)是世界上口徑最大的單天線射電望遠鏡，不過在2016年7月3日，這個稱號卻被中國的FAST（500米口徑球面射電望遠鏡）取代了。FAST屹立于貴州的深山中，直徑達到500米，球面由4400多面主動反射單元構(gòu)成，觀測范圍較阿雷西博射電望遠鏡更為寬廣。

這兩個射電望遠鏡的接收天線都是球面的，但球面的焦點需要改造才能成為拋物面的焦點。阿雷西博射電望遠鏡經(jīng)過數(shù)次變形，才將焦點改造成為拋物面的焦點，但這必然會導(dǎo)致饋源系統(tǒng)更加復(fù)雜、龐大，直接影響觀測效果。

與阿雷西博射電望遠鏡相比，我國的FAST不僅口徑更大，技術(shù)也更為先進。FAST的表面看似是球形的，但實際上卻可以通過鏡面變形技術(shù)使部分面板隨時改變其距離地面的高度，成為直徑300米的拋物面，這就大大減輕了饋源系統(tǒng)的重量。

三臂對數(shù)螺旋陣列的中國日像儀

由于太陽也能發(fā)出射電輻射，因此射電望遠鏡不僅能觀測宇宙，也能觀測太陽，而中國打造的日像儀就以太陽為主要觀測目標(biāo)。在內(nèi)蒙古正鑲白旗明安圖觀測站，中國剛剛建設(shè)成功的新一代厘米-分米波射電日像儀（SMART）通過驗收。

SMART是一個三臂對數(shù)螺旋陣列，3條臂膀就像螺旋線那樣伸展開來。在3條懸臂中，混合編排著2種射電望遠鏡。它可以在厘米分米波段上，對日冕瞬變現(xiàn)象、高能粒子流、日冕磁場和太陽大氣結(jié)構(gòu)等進行觀察，對太陽物理學(xué)研究具有重要作用。

按照計劃，SMART還將與美國的頻率靈活太陽射電望遠鏡（FASR）和歐洲的“擴展FASR計劃”相互配合，首次實現(xiàn)太陽日冕射電成像的日不落觀測。

射電望遠鏡的大聚會

人類將射電望遠鏡組成陣列的技術(shù)越來越成熟。今年，一個全新的射電望遠鏡陣列也要開始建造——平方公里陣列（SKA）。這是一個由20多國共同參與的龐大計劃，更是人類歷史上最大的天文合作項目。

SKA得名于其巨大的信號采集面，這并非意味著它具有1千米的天線口徑，而是因為它由上千臺較小的天線陣列組成。按照計劃，SKA將橫跨三大洲，其基線會超過3000千米，核心處的半徑在5千米左右。組成這個陣列的射電望遠鏡品種多樣，將擁有3000個直徑為15米的拋物面蝶形天線和250組中、低頻孔徑陣列，低頻陣列的成員包含100多萬個低頻天線。

SKA建成后，其靈敏度將是現(xiàn)有地面最大的射電望遠鏡陣列EVLA的50倍，分辨率是EVLA的100倍，巡天速度更是提高了10000～200000倍。此外，它還能探測到10光年外的雷達信號，觀測到130多億年前宇宙大爆炸開始后不久的宇宙現(xiàn)象。其中央計算機處理能力相當(dāng)于1億臺家用臺式機的能力，每天傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量將超過目前全部互聯(lián)網(wǎng)的流量，使用的光纖足夠環(huán)繞地球2圈。

事實上，SKA的重要意義不僅在于其技術(shù)和體量的提升，更在于它將歐洲的低頻陣列、南非的MeerKAT厘米波射電望遠鏡和澳大利亞的ASKAP平方公里陣列射電望遠鏡相連接，從而具備了對整個天空進行協(xié)同觀測的能力。

過去的射電望遠鏡往往是單打獨斗，或是僅僅形成局部網(wǎng)絡(luò)，受到地域限制，它們都只能觀測星空的很小一部分，許多重要天文事件可能因此錯過。將世界各地的天文望遠鏡連成網(wǎng)絡(luò)，自然能更加全面地觀測整個星空。

作為世界上即將建造的最大綜合孔徑射電望遠鏡，SKA是否真的能如科學(xué)家所愿，為人類解答有關(guān)星系演化、暗能量、引力本質(zhì)、宇宙磁場等秘密呢？我們還不得而知。但是建成后的SKA必然將會是未來科學(xué)家的重要科研工具。這一場射電望遠鏡的大聚會，也將引領(lǐng)射電天文學(xué)的新革命。

SKA落戶南非、澳大利亞

2012年5月29日，歷時9年的SKA選址競爭終于落下帷幕，南非和澳大利亞共同獲得SKA的項目承辦權(quán)。為了爭取SKA項目，兩國都做出了巨大努力。

南非于2008年通過《天文地理優(yōu)勢法案》，對SKA計劃落戶的區(qū)域?qū)嵤┓杀Ｗo，對該地區(qū)的人為活動和電磁信號進行嚴格約束。而澳大利亞則與新西蘭聯(lián)合申請，推出SKA探路者項目，并建設(shè)了默奇森射電天文觀測站。

按照計劃，SKA項目一期工程將于2016年-2019年建設(shè)，2020年開始運行;二期工程將于2018年-2023年建設(shè)，2024年開始運行。