《上知天文》十四、天文爱好者必须了解的天文望远镜-射电篇

前面文章（《上知天文》十三、你必须了解的天文望远镜-光学篇）我们介绍了光学天文望远镜，本文主要介绍射电天文望远镜的基本知识。

提到射电望远镜就不能不提小伙伴们耳熟能详的应该是咱们国家的fast天文望远镜，以及上个月（2019年4月10日）独领风骚的事件视界望远镜EHT，后者成功拍摄出人类首张黑洞照片。

射电望远镜（英文名称radio telescope）是指接收天体射电波段辐射的望远镜，可以测量天体射电的强度、频谱及偏振等量 。不论以上哪种射电望远镜，它们的原理都差不多。星星照射过来一束电磁波之后，被望远镜的镜面反射，聚焦在焦点处，这个就跟牛顿反射式望远镜的光路差不多。

射电望远镜的外形各异，有固定在地面上的单一口径的球面射电望远镜；还有那种带云台的，能全方位转动的，这种射电望远镜的样子，跟我们家里用的卫星电视接收天线类似；也有那种网状，由金属杆制成的射电望远镜（米波、分米波射电望远镜）。

图14.1 北京密云国家天文台射电望远镜

旋转抛物面

射电望远镜绝大多数都是使用旋转抛物面做反射面，这是因为这样形状的反射面，更容易实现同相聚焦。

均方误差

制作一个大的射电望远镜对精度要求还是很高的，通常要求这个实际的抛物面跟理想抛物面的均方误差要小于λ/16~λ/10之间，只有这样，才能让这个射电望远镜满足工作条件，在波长大于λ的射电波段上有效工作。可见我国的fast射电望远镜的制作难度有多高了。

最小功率

按照现有的技术水平要求最弱的电平一般需要达到10~20W，天体发射过来的射电波经过反射面汇聚到焦点处放大到10~1000倍，变换成中频，用电缆传送到控制室，然后进一步放大、检波，最后进行特定研究方式的记录、处理和显示。

空间分辨率和灵敏度

空间分辨率是望远镜区分天球上两个彼此靠近的射电源的能力。灵敏度是反应射电望远镜探测微弱射电源的能力。跟前文我们提到的光学望远镜一样，射电望远镜同样要求有更高的空间分辨率和灵敏度。

连续孔径射电望远镜

主要代表是采用单盘抛物面天线的经典式射电望远镜。按机械装置和驱动方式，连续孔径射电望远镜（它通常又是非连续孔径的基本单元）还可分为三种类型。

1、全可转型或可跟踪型可在两个坐标转动，分为赤道式装置和地平式装置两种，如同在可跟踪抛物面射电望远镜中使用的。

2、部分可转型可在一坐标（赤纬方向）转动，赤经方向靠地球自转扫描，又称中星仪式（见带形射电望远镜）。

3、固定型主要天线反射面固定，一般用移动馈源（又称照明器）或改变馈源相位的方法。

图14.2 fast天文望远镜

非连续孔径射电望远镜

以干涉技术为基础的各种组合天线系统。20世纪60年代产生了两种新型的非连续孔径射电望远镜——甚长基线干涉仪和综合孔径射电望远镜，前者具有极高的空间分辨率，后者能获得清晰的射电图像。世界上最大的可跟踪型经典式射电望远镜其抛物面天线直径长达100米，安装在德国马克斯·普朗克射电天文研究所；世界上最大的非连续孔径射电望远镜是甚大天线阵，安装在美国国立射电天文台。

为了观测弱射电源的需要，射电望远镜必须有较大孔径，并能对射电目标进行长时间的跟踪或扫描。此外，还必须综合考虑设备的造价和工艺上的现实性。

射电观测在很宽的频率范围进行，检测和信息处理的射电技术又远较光学波段灵活多样，所以射电望远镜种类繁多，还可以根据其他准则分类：诸如按接收天线的形状可分为抛物面﹑抛物柱面﹑球面﹑抛物面截带﹑喇叭﹑螺旋﹑行波﹑偶极天线等射电望远镜；按方向束形状可分为铅笔束﹑扇束﹑多束等射电望远镜；按工作类型可分为全功率﹑扫频﹑快速成像等类射电望远镜；按观测目的可分为测绘﹑定位﹑定标﹑偏振﹑频谱﹑日象等射电望远镜。

图14.3 美国eva射电望远镜群

我国的射电天文望远镜

1、2012年，我国在上海佘山建成了亚洲最大，同类型望远镜总总体性能位列全球第四的65米射电天文望远镜。

2、“中国天眼”是一个500米口径球面射电望远镜，由我国天文学家南仁东于1994年提出构想，历时22年建成，于2016年9月25日落成启用。是由中国科学院国家天文台主导建设，具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。综合性能是著名的射电望远镜阿雷西博的十倍。截至2018年9月12日，500米口径球面射电望远镜已发现59颗优质的脉冲星候选体，其中有44颗已被确认为新发现的脉冲星。

非连续孔径射电望远镜（EHT）史无前例的壮举-人类首张黑洞照片的拍摄

2019年4月10日晚，数百名科学家参与合作的“事件视界望远镜（EHT）”项目在全球多地同时召开新闻发布会，发布了人类拍到的首张黑洞照片。该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”。

图14.4 EHT拍摄的首张M87黑洞照片

2015年1月13日，阿塔卡玛探险者实验（APEX）与阿塔卡玛大型毫米波天线阵（ALMA）成功联合观测，组成一个2.08公里的虚拟射电望远镜，如今与7000公里外的南极射电望远镜（SPT）进行了连接。它们通过甚长基线干涉技术（VLBI）连接在一起。更大的望远镜可以进行更敏锐的观测，而干涉可以让多个相距遥远额望远镜像一个望远镜一样工作，并且其尺度与望远镜之间的距离——也被称为“基线”——一样大。使用VLBI，可以通过尽可能增大望远镜的间隔而得到更清晰的观测结果。事件视界望远镜（EHT）将室女A星系（M87）中心的黑洞作为观测目标，并成功捕捉到了黑洞周围环境的清晰图像。

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