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深空电波密探

1028,亚洲最大的射电天文望远镜在上海松江佘山的上海天文台交付使用。该射电望远镜高70,主反射面直径65,结构重量2600余吨,是一台全可动射电望远镜。它可观测到100多亿光年外的天体,并能精确跟踪卫星和深空探测器,可在明年我国探月工程二期中发挥重大作用。

 




   这台望远镜由中科院、上海市政府和中国探月工程办公室共同出资建造,从2009年底开始制造,28日进行了首次启动。它涵盖了射电天文研究的全部厘米波级和部分毫米波级的波段,配备高灵敏度接收机系统,可在四个低波段频段投入工作。今后该望远镜将致力于尽早完成四个高频波段的接收设备以及主动面调整系统的测试。综合来看,上海的这台射电天文望远镜性能上在世界上排名第四。

   中国目前还在贵州省平塘县克度镇大窝凼喀斯特洼地中筹建一座500米口径球面射电望远镜(Five hundred
meters Aperture SphericalTelescope,FAST)。球面直径达500米,有30个足球场那么大,反射面由约1800个15米的六边形球面单元拼合而成。建成后,这座望远镜将成为世界上最大的单口径射电天文望远镜。

   下图为FAST项目全貌想象图及反射面的12米面板。




   

射电天文望远镜怎样“观”天?

   根据维基百科的介绍:1930年代早期,美国人格罗特·雷伯在自家的后院建造了一架口径9.5米的天线,并在1939年接收到了来自银河系中心的无线电波,根据观测结果绘制了第一张射电天图。射电天文学从此诞生。雷伯使用的那架天线是世界上第一架专门用于天文观测的射电望远镜。20世纪60年代天文学取得了四项非常重要的发现:脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子,都与射电望远镜有关。

   射电天文望远镜不能对探测目标直接成像,而是接收天体或探测目标发出的电磁波信号,以此来确定探测目标的位置和轨道。整个系统大致包括收集射电波的定向天线,放大射电信号的高灵敏度接收机,信息记录、处理和显示系统等。在接收到频谱信号后,计算机系统会分析无线电波频谱、强度与偏振来进行结果推导和显示。

   射电天文望远镜与由光学镜片和镜筒组成的光学天文望远镜外形差异极大,即使是其本身的分类也让“射电一族”千差万别:有固定在地面的球面射电望远镜;有能够全方位转动的,类似家用卫星天线“锅”的射电望远镜;有多个望远镜基阵组成的,类似雷达站似的射电望远镜阵列;还有长杆状的射电望远镜。射电望远镜的天线直径越大,探测范围越远。


   下图为澳大利亚悉尼大学物理学院制造的莫隆格勒天文台射电天文望远镜,接收天线阵长达800。这种巨型晒衣架似的“望远镜”和一般民众想象中长筒状的望远镜比起来真是大相径庭。



   下列三图为阿雷西博望远镜,位于波多黎各岛的山谷中,是目前世界上最大的单面口径射电望远镜,建成时直径305,后扩建为350,由美国康奈尔大学管理。这个隐藏于石灰岩大坑中的望远镜是用将近4万个钻孔的铝质筛板制成的。它能将入射的无线电波聚焦于反射镜面上空的可移动天线上。这根天线可以任意移动,能够接收1300万光年以外的无线电信号。007系列电影《黄金眼》曾在此处取景,英国佬007006混入美国佬的底盘后上演了片尾的一场大战。







   有的射电天文望远镜看起来是圆球形的,其实那球状物只不过是个保护罩,掀开它的盖头来,里面多半是普通的抛物面天线(下图)。



   射电天文望远镜是当代科技的象征,因此在不少科幻电影中都有出镜镜头。如好莱坞电影《独立日》、《终结者4》和《变形金刚》等中都有美国新墨西哥州甚大天线阵(Very Large ArrayVLA,以下两图)的镜头。在《X战警:第一战》中,也有万磁王用磁力控制能力扭转一座巨大射电天文望远镜天线的镜头。可惜小月手头没有片源,一时无法考证镜头里那座天线的来历。




    

射电天文望远镜的未来:组团上阵

      射电天文望远镜的特性决定了天线阵面积越大,单位面积内接收单元数量越多,则探测距离越远,信号分辨和定位灵敏度越高。因此,1993年国际无线电科联开始着手设计和建造史无前例的平方千米射电阵列(SquareKilometre Array,SKA,官方网址:http://www.skatelescope.org/)。这里的平方千米是指天线阵的集光面积,而不是指天线阵的占地面积,这个数值比超大型天文望远镜(VLT)的聚光面积大100倍。

    这种射电天线阵列属于下一代巨型射电望远镜阵,在3个阶段的建设完成后可接收0.10—30GHz波段的信号,灵敏度将比目前世界上最大的射电望远镜还高50倍,能发现距离地球50光年的一颗行星上的飞机场雷达信号。它可以提供许多低亮度辐射源的高质量图像,角清晰度极高,成像能力达到毫弧秒级别。

    SKA是个非盈利性质项目,总部设在英国曼彻斯特的焦德雷尔班克射电天文台,参与国家达到20个。SKA分布在南半球的数个国家,主要接收阵列包括设置在非洲和大洋洲多个国家的天线阵。全球的天线阵列群将由分布直径3057千米(1900英里)的数千个天线阵列组成,它将为人类提供大量有关宇宙的数据,甚至可能会彻底改变人类对宇宙的认识。

    SKA项目耗资超过21亿美元,计划于2016年开工建设,2024年完工(下图为中型蝶形天线阵列想象图)。SKA的原型样机由7个直径16米的天线组成,目前正在南非卡鲁沙漠进行试验。


   SKA的布置很有艺术感:一半天线位于中央直径5公里的区域内,另有四分之一的天线散布在周围150公里的区域内,其余的分布在大约3000公里的范围内,呈螺旋形排列(下列3图)。







   SKA目前着手建设的阵列包含3种接收单元:最主要的碟形天线阵,天线高15,直径12,覆盖频率范围为500 MHz10 GHz;直径60,由3*3米的小接收单元组合而成的圆形中频天线,覆盖频率范围从200500MHz;低频天线阵则会在每个直径100的范围内安装90组天线,频率覆盖范围是70200 MHz.(下图自上而下系三种天线的外观和布局)。



   

 

   上图为直径60米,由3米*3米的小接收单元组合而成的圆形中频天线的模拟图。

   SKA的分辨率取决于射电望远镜天线的间距,间距越大,分辨率越高。非洲运用其南北长度长的优势,将和欧洲的技术人员一起打造出超强的甚长基线干涉测量网络(AVN),这是SKA三分之二的天线数量——南非与博茨瓦纳、加纳、肯尼亚、马达加斯加、毛里求斯、莫桑比克、纳米比亚和赞比亚等9个非洲国家将在各自境内建造碟形天线以及中频天线。澳大利亚默奇森射电天文观测站和新西兰的分站将安装规模较小的低频天线。

    SKA预计能够探测到宇宙大爆炸之后第一代恒星和星系形成时发出的电磁波、揭示磁场在恒星和星系演化过程中的作用、探测暗能量产生的种种效应,甚至有人希望能够接受到地外智慧生命发出的无线电信号,寻找生命的发源地。目前,科学家给它下达的5个任务是:寻找生命痕迹、探测宇宙形成早期时代(黑暗时代)、研究宇宙磁场的起源和演变、通过脉冲星和黑洞测试引力场,研究银河系、宇宙和暗能量的演变。

    在全球阵列联机之后,每天获取和待分析的数据将是巨量的。处理这些数据需要一台运算能力相当于10亿台个人电脑的超级电脑,它的运算峰值需要达到每秒一百万万亿次,比当前最强大的超级计算机运行速度快一千倍;各阵列间数据传输速度为每秒几贝脱比特(petabits),约是当前全球网络流量的100倍,每一台天线每秒将产生大约20G的数据,系统每天“down下来”的数据能装满1500万个64GB的iPod;控制信号的校准精度必须达到十亿分之一秒,阵列间传输信号的光纤网络总长能够绕地球赤道两周。



   上图整合了SKA的基本信息。如图,SKA项目拥有来自20个国家的70个研究机构的科学家和工程师;SKA超强的计算机系统每天处理的原始数据能够装满1500万个64GB的iPod。

   如果类似三体文明那样的外星人将要进攻地球,他们会首先摧毁地球人掌握的这些监视太空的眼睛,收集电波的密探吗?


(作者:月下美丽的梦)

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