射電天文與無線電

孫建民 貴州省無線電監(jiān)測(cè)站

射電天文與無線電

孫建民 貴州省無線電監(jiān)測(cè)站

射電天文學(xué)（Radio Astronomy）是通過接收來自宇宙的無線電波，進(jìn)行天文學(xué)研究的一門科學(xué)，是天文學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科。它是以無線電接收技術(shù)為手段，觀測(cè)的對(duì)象幾乎涉及所有的天體。射電天文是無線電業(yè)務(wù)的一個(gè)大類，從它的英文名稱就能知道，射電的英文與無線電的英文單詞都是“Radio”。

與歷史悠久的天文學(xué)相比，射電天文學(xué)是一門年輕的學(xué)科，它誕生于二十世紀(jì)三十年代初，美國貝爾電話公司的工程師卡爾?央斯基（Karl Jansky）在做短波無線電通信實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了來自銀河系中心的人馬座方向的無線電波，從此掀開了人類利用無線電波進(jìn)行天文學(xué)研究的序幕。

第二次世界大戰(zhàn)以后，一些雷達(dá)科技人員將雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于射電天文，射電天文研究得以較快地發(fā)展。二十世紀(jì)六十年代的天文學(xué)四大發(fā)現(xiàn)：類星體、脈沖星、星際分子和微波背景輻射都是通過射電天文的手段獲得的。與傳統(tǒng)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡不同，射電天文望遠(yuǎn)鏡具有很多優(yōu)勢(shì)：可以不分晝夜進(jìn)行觀測(cè)；無線電波可以穿透大氣層，因此射電天文觀測(cè)也不受天氣的影響；射電天文望遠(yuǎn)鏡還可以深入到光學(xué)望遠(yuǎn)鏡看不到的宇宙深處，探索被塵埃遮蔽的廣闊未知空間。

圖中展示了光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和射電天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的銀河圖像，相比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，射電天文望遠(yuǎn)鏡可觀測(cè)到更多的天文現(xiàn)象。從上到下依次是408MHz射電連續(xù)譜，21cm中性氫，2.4～2.7GHz射電連續(xù)譜和光學(xué)觀測(cè)到的銀河圖像。

不同的電磁頻譜看到的銀河圖像 圖片由國家天文臺(tái)提供

射電天文觀測(cè)需要大口徑的天線和高靈敏度的接收機(jī)。大口徑的天線可以通過增大單面天線的口徑和多面天線組成綜合孔徑天線陣來實(shí)現(xiàn)。目前世界上最大的單口徑射電天文望遠(yuǎn)鏡是位于我國貴州省平塘縣的500米口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡（FAST），于2016年9月25日建成，從FAST望遠(yuǎn)鏡的提出到建成歷時(shí)22年，F(xiàn)AST望遠(yuǎn)鏡具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可以在宇宙形成、脈沖星觀測(cè)、地外生命探索等多個(gè)方面開展科學(xué)研究，是我國重點(diǎn)推進(jìn)的大科學(xué)項(xiàng)目。

射電天文望遠(yuǎn)鏡接收宇宙極其微弱的無線電波，在80多年的發(fā)展中，全世界的射電天文望遠(yuǎn)鏡所收集的無線電能量不足以翻動(dòng)一頁書。天文學(xué)家希望在整個(gè)無線電電磁頻譜上進(jìn)行天文學(xué)觀測(cè)，但在無線電通信技術(shù)飛速發(fā)展的今天卻是相當(dāng)困難的，天文學(xué)家甚至發(fā)出了在無線電電磁環(huán)境受到污染之前，讓人類再看一眼宇宙的呼吁。

射電天文望遠(yuǎn)鏡容易受到人類無線電波的干擾，主要的干擾源有：

1.按照無線電波的傳播特性，低于40MHz的無線電發(fā)射不論位于世界的任何地方，都會(huì)對(duì)射電天文產(chǎn)生影響。

2.來自航空、航天飛行器和人造地球衛(wèi)星的無線電發(fā)射和它們反射地面的無線電波形成的干擾，在某種程度上已成為干擾射電天文的難題，而且在整個(gè)地球都存在，通過更改臺(tái)址和地方管理部門保護(hù)的方法都不能避免這類干擾。

3.在射電天文臺(tái)址附近，不在射電望遠(yuǎn)鏡工作頻段內(nèi)發(fā)射的無線電臺(tái)和工科醫(yī)設(shè)備的電磁輻射，由于對(duì)電磁環(huán)境的背景噪聲作出了貢獻(xiàn)，也會(huì)對(duì)射電天文觀測(cè)造成不利影響。

為保護(hù)射電天文望遠(yuǎn)鏡的正常觀測(cè)，通常采取以下辦法減少無線電干擾對(duì)射電天文的影響：

1.在射電望遠(yuǎn)鏡選址時(shí)，預(yù)選站址的電磁環(huán)境是需要首先考慮的重要條件。選擇遠(yuǎn)離繁華城市，地理位置比較偏僻，電磁干擾比較小，電磁背景比較低的地方建設(shè)射電天文望遠(yuǎn)鏡。

2.在射電天文臺(tái)址附近規(guī)劃射電寧靜區(qū)，不允許在射電寧靜區(qū)內(nèi)建設(shè)無線電臺(tái)站及有電磁輻射的工、科、醫(yī)設(shè)施。為保護(hù)FAST望遠(yuǎn)鏡，貴州省于2013年出臺(tái)了《貴州省500米口徑射電天文望遠(yuǎn)鏡寧靜區(qū)保護(hù)辦法》，劃定了30千米范圍的射電寧靜區(qū)，保護(hù)FAST正常工作。

3.在進(jìn)行頻率規(guī)劃和指配時(shí)，在射電天文臺(tái)視距范圍內(nèi)絕對(duì)不允許指配與射電天文共用的頻率；不在射電天文臺(tái)視距范圍內(nèi)的與射電天文共用頻段的頻率指配要謹(jǐn)慎，要進(jìn)行電磁兼容性計(jì)算，并通過實(shí)驗(yàn)評(píng)估對(duì)附近射電天文業(yè)務(wù)的影響。

4.在射電天文臺(tái)附近減小其他不必要發(fā)射，在保障通信能力的情況下，盡量使附近的發(fā)射機(jī)降低發(fā)射功率。特別要注意高功率、高海拔的無線電發(fā)射對(duì)射電天文業(yè)務(wù)的影響。

500米口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡（FAST）——貴州平塘 攝影 孫建民