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公司新聞

500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡——世界*大天文射電望遠(yuǎn)鏡

500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡

——世界*大天文射電望遠(yuǎn)鏡

工程投資額:6.27億
工程期限:2007年——2014年

500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡——世界*大天文射電望遠(yuǎn)鏡
上圖為目前全球*大的射電望遠(yuǎn)鏡——位于美國波多黎各自由邦的阿雷西博(Arecibo)射電望遠(yuǎn)鏡,天線口徑為305米,天頂掃描角20°。Arecibo天文臺(tái)和它巨大的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)始建于1963年,由美國國防部投資建設(shè),它是目前世界上靈敏度*高的宇宙監(jiān)聽系統(tǒng),能夠接受和分辨出來自數(shù)百萬光年以外的宇宙電磁信息。Arecibo望遠(yuǎn)鏡自建成以來可謂出盡風(fēng)頭,1974年該望遠(yuǎn)鏡在宇宙深處發(fā)現(xiàn)了一個(gè)雙生中子星系統(tǒng),兩名科學(xué)家利用這一發(fā)現(xiàn)成功驗(yàn)證了愛因斯坦有名的重力波理論,并借此研究成果獲得了1993年的諾貝爾獎(jiǎng)。當(dāng)Arecibo望遠(yuǎn)鏡巨大的天線系統(tǒng)作為外景出現(xiàn)在影片《接觸未來》和007系列影片《黃金眼》后,它壯美的景觀至今還讓全世界的觀眾記憶猶新。不過與影片中所做的描述不同,Arecibo望遠(yuǎn)鏡真正用于外星生命研究項(xiàng)目所占用的探測時(shí)間其實(shí)還不到整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)間的1%。
 

 
    五年后,在貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)一片名叫大窩凼的喀斯特洼地中,將架起能夠探尋和接受可能存在“地外文明”信息的目前世界上*大單口徑射電天文望遠(yuǎn)鏡—500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡。


    500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five hundred meters Aperture Spherical Telescope,簡稱FAST)是**科教領(lǐng)導(dǎo)小組審議確定的**九大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一,此項(xiàng)目將采用中國科學(xué)家**設(shè)計(jì),利用貴州獨(dú)特喀斯特地形條件和極端安靜的電波環(huán)境,建造一個(gè)500米口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡。500米口徑的反射面由約1800個(gè)15米的六邊形球面單元拼合而成。此方案改正了球差,簡化了饋源,克服了球反射面線焦造成的窄帶效應(yīng)。利用貴州南部獨(dú)特的天然喀斯特洼坑可大大降低望遠(yuǎn)鏡工程造價(jià)。

 

FAST項(xiàng)目具有3項(xiàng)自主**:利用貴州天然的喀斯特洼坑作為臺(tái)址;洼坑內(nèi)鋪設(shè)數(shù)千塊單元組成500米球冠狀主動(dòng)反射面;采用輕型索拖動(dòng)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)的高精度定位。全新的設(shè)計(jì)思路,加之得天獨(dú)厚的臺(tái)址優(yōu)勢(shì),F(xiàn)AST突破了望遠(yuǎn)鏡的百米工程極限,開創(chuàng)了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式。

 

500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡

臺(tái)址的選定十分關(guān)鍵,要考察的因素很多,如氣候、氣象、土地利用、無線電環(huán)境、地質(zhì)、人口、經(jīng)濟(jì)、勞動(dòng)力、電力、交通、通信、網(wǎng)絡(luò)、土地等,因?yàn)槠渲腥魏我豁?xiàng)對(duì)今后的運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生影響。貴州省平塘縣這一喀斯特地區(qū)發(fā)育的洼坑,就像一個(gè)天然的巨碗,剛好盛起望遠(yuǎn)鏡約20萬平方米的巨型反射面。建成后的望遠(yuǎn)鏡將會(huì)填滿整個(gè)山谷。大窩凼不僅具有一個(gè)天然的洼地可以架設(shè)望遠(yuǎn)鏡,而且喀斯特地質(zhì)條件可以保障雨水向地下滲透,而不在表面淤積,腐蝕和損壞望遠(yuǎn)鏡。此外,還有極端寧靜的自然環(huán)境,由于無線電環(huán)境對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡影響極為重要,項(xiàng)目地址半徑5公里之內(nèi)必須保持寧靜和電磁環(huán)境不受干擾。大窩凼附近沒有集鎮(zhèn)和工廠,在5公里半徑之內(nèi)沒有一個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),25公里半徑之內(nèi)只有一個(gè)縣城,是*為理想的選擇。

它將擁有約30個(gè)足球場大的接受面積,建成后將成為世界上*大的單口徑射電天文望遠(yuǎn)鏡。與其他望遠(yuǎn)鏡不同,它既不是架在山頂,也不遨游太空,而是在貴州一片喀斯特洼地中立足,猶如一只巨大的“天眼”,探測遙遠(yuǎn)、神秘的“天外之謎”。

FAST與號(hào)稱“地面*大的機(jī)器”的德國波恩100米望遠(yuǎn)鏡相比,靈敏度提高約10倍;與排在阿波羅登月之前、被評(píng)為人類20世紀(jì)十大工程之首的美國Arecibo 300米望遠(yuǎn)鏡相比,其綜合性能提高約10倍。作為世界*大的單口徑望遠(yuǎn)鏡,F(xiàn)AST將在未來20-30年保持世界**設(shè)備的地位。

此項(xiàng)目總投資6.27億元,建設(shè)期為5年,2008年12月26日在貴州平塘正式開工。項(xiàng)目法人為中國科學(xué)院**天文臺(tái)。它的建設(shè)將形成具有國際**水平的天文觀測與研究平臺(tái),探尋被稱為21世紀(jì)物理學(xué)*大之謎的“暗物質(zhì)”、“暗能量”本質(zhì),為中國開展宇宙起源和演化、太空生命起源和尋找地外文明等研究活動(dòng)提供重要支持。
 

FAST在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域和**重大需求方向的意義
      FAST作為一個(gè)多學(xué)科基礎(chǔ)研究平臺(tái),有能力將中性氫觀測延伸至宇宙邊緣,觀測暗物質(zhì)和暗能量,尋找**代天體。能用一年時(shí)間發(fā)現(xiàn)約7000顆脈沖星,研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理規(guī)律;有希望發(fā)現(xiàn)奇異星和夸克星物質(zhì);發(fā)現(xiàn)中子星——黑洞雙星,無需依賴模型**測定黑洞質(zhì)量;通過**測定脈沖星到達(dá)時(shí)間來檢測引力波;作為*大的臺(tái)站加入國際甚長基線網(wǎng),為天體超精細(xì)結(jié)構(gòu)成像;還可能發(fā)現(xiàn)高紅移的巨脈澤星系,實(shí)現(xiàn)銀河系外**個(gè)甲醇超脈澤的觀測突破;用于搜尋識(shí)別可能的星際通訊信號(hào),尋找地外文明等等。
      FAST在**重大需求方面有重要應(yīng)用價(jià)值。把我國空間測控能力由地球同步軌道延伸至太陽系外緣,將深空通訊數(shù)據(jù)下行速率提高100倍。脈沖星到達(dá)時(shí)間測量精度由目前的120納秒提高至30納秒,成為國際上***的脈沖星計(jì)時(shí)陣,為自主導(dǎo)航這一前瞻性研究制作脈沖星鐘。進(jìn)行高分辨率微波巡視,以1Hz的分辨率診斷識(shí)別微弱的空間訊號(hào),作為被動(dòng)戰(zhàn)略雷達(dá)為****服務(wù)。作為“子午工程”的非相干散射雷達(dá)接收系統(tǒng),提供高分辨率和**率的地面觀測;跟蹤探測日冕物質(zhì)拋射事件,服務(wù)于太空天氣預(yù)報(bào)。


      FAST研究涉及了眾多高科技領(lǐng)域,如天線制造、高精度定位與測量、高品質(zhì)無線電接收機(jī)、傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理、超寬帶信息傳輸、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理等。FAST關(guān)鍵技術(shù)成果可應(yīng)用于諸多相關(guān)領(lǐng)域,如大尺度結(jié)構(gòu)工程、公里范圍高精度動(dòng)態(tài)測量、大型工業(yè)機(jī)器人研制以及多波束雷達(dá)裝置等。FAST的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)將對(duì)我國制造技術(shù)向信息化、極限化和綠色化的方向發(fā)展產(chǎn)生影響。

500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡——世界*大天文射電望遠(yuǎn)鏡
2010年12月21日,中國航空工業(yè)集團(tuán)貴州云馬飛機(jī)制造廠,運(yùn)用航空制造技術(shù),成功完成了FAST項(xiàng)目12米相似三角形鋁合金面板模型制作。該模型由100個(gè)1.2米等邊三角形構(gòu)成,每個(gè)等邊三角形交點(diǎn)孔位精度保持在0.1-0.15毫米。整個(gè)FAST項(xiàng)目,共需要制造安裝46萬塊1.2米等邊三角形面板。

 

FAST的系統(tǒng)構(gòu)成

射電天文望遠(yuǎn)鏡通常由三個(gè)主要部分構(gòu)成:匯聚電磁波的反射面、收集信號(hào)的接收機(jī)以及指向裝置。 FAST在貴州喀斯特洼地內(nèi)鋪設(shè)口徑為500米的球冠形主動(dòng)反射面,通過主動(dòng)控制在觀測方向形成300米口徑瞬時(shí)拋物面;采用光機(jī)電一體化的索支撐輕型饋源平臺(tái),加之饋源艙內(nèi)的二次調(diào)整裝置,在饋源與反射面之間無剛性連接的情況下,實(shí)現(xiàn)高精度的指向跟蹤;在饋源艙內(nèi)配置覆蓋頻率70MHz—3GHz的多波段、多波束饋源和接收機(jī)系統(tǒng);針對(duì)FAST科學(xué)目標(biāo)發(fā)展不同用途的終端設(shè)備;建造**的天文觀測站。


 

FAST項(xiàng)目進(jìn)展情況
    FAST的預(yù)研究歷時(shí)13年,1993年國際無線電聯(lián)大會(huì)上,包括我國在內(nèi)的10國天文學(xué)家提出建造巨型望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃。自1994年,我國天文學(xué)家提出在貴州喀斯特洼地中建造大口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡的建議和工程方案,它是我國射電天文學(xué)家根據(jù)國際大環(huán)境、我國特有的地理?xiàng)l件、國內(nèi)外合作、和工程團(tuán)隊(duì)不斷探索,逐步研究和提出來的。這一研究工作得到了國際天文學(xué)界的廣泛支持,目前我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力、制造能力、天文學(xué)發(fā)展、方案設(shè)計(jì)、地質(zhì)條件等許多方面都達(dá)到了可以建造這樣一個(gè)大射電望遠(yuǎn)鏡的條件和能力。

建造如此巨大的射電望遠(yuǎn)鏡國際上沒有先例,很多技術(shù)更是要靠我們自己鉆研和解決,特別是在選址、主動(dòng)反射面設(shè)計(jì)、饋源(注:饋源可理解為拋物面天線的焦點(diǎn)處設(shè)置的一個(gè)收集衛(wèi)星信號(hào)的喇叭式裝置)支撐系統(tǒng)優(yōu)化、饋源與接收機(jī)及關(guān)于測量與控制技術(shù)等方面,面臨巨大課題和挑戰(zhàn),只有這些問題解決了,才能動(dòng)手建造。自1994年起,中國科學(xué)院**天文臺(tái)等20多所科研院所和知名高校,開展了對(duì)FAST的長期合作研究,同時(shí)FAST被列入首批**知識(shí)**工程重大項(xiàng)目。通過10多年的探索,完成了預(yù)研和優(yōu)化研究兩個(gè)環(huán)節(jié),具備了建造世界上*大的射電望遠(yuǎn)鏡的科技實(shí)力。

 

2007年7月10日,**發(fā)展和改革委員會(huì)原則同意將FAST項(xiàng)目列入**高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目計(jì)劃(發(fā)改高技[2007]1538號(hào)文件),要求抓緊開展可行性研究工作,在條件具備后上報(bào)可行性報(bào)告。

 

FAST的總體技術(shù)指標(biāo)
主動(dòng)反射面          半徑300m, 口徑500m,球冠張角 110-120°
有效照明口徑        Dill=300m
焦比                0.467
天空覆蓋            天頂角40°
工作頻率            70MHz-3GHz
靈敏度(L波段)       天線有效面積與系統(tǒng)噪聲溫度之比 A/T~2000 m2/K
系統(tǒng)噪聲溫度        T~20K
分辨率(L波段)       2.9′
多波束(L波段)       19個(gè)
觀測換源時(shí)間        <10min
指向精度            8″

 衡量射電望遠(yuǎn)鏡是否**,主要的指標(biāo)是靈敏度和分辨率。為提高靈敏度,常用的辦法有降低接收機(jī)本身的固有噪聲、增大天線接收面積、延長觀測積分時(shí)間等。而分辨率則是指對(duì)臨近的不同波長的射電的區(qū)分能力。怎樣提高射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率呢?對(duì)單天線射電望遠(yuǎn)鏡來說,天線的直徑越大,分辨率越高。所以,射電天文學(xué)家一直追求大而精的反射面、盡可能低噪聲的接收機(jī)、并配置適應(yīng)不同觀測課題的較完備的后端,以滿足射電天文學(xué)發(fā)展的需要。

    FAST,主反射面由460000塊三角形單元拼接成球冠,口徑達(dá)到500米,接收面積相當(dāng)于30個(gè)足球場,比目前*大的射電望遠(yuǎn)鏡阿雷西博有效接收面積擴(kuò)大了2.3倍,意味著其靈敏度分別是目前世界上幾個(gè)*大的射電望遠(yuǎn)鏡——VLA(美國的特大天線陣)、阿雷西博和印度GMRT(巨型米波射電望遠(yuǎn)鏡)的5.4倍、2.3倍和1.5倍,其可探測射電源數(shù)在相同天空覆蓋情況下增加約10倍。

500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡——世界*大天文射電望遠(yuǎn)鏡
這是二戰(zhàn)時(shí)期,法國杜夫爾-拉代利夫朗德附近使用的一部防空預(yù)警雷達(dá)。射電天文技術(shù)*初的起步和發(fā)展得益于二戰(zhàn)后大批退役雷達(dá)的“軍轉(zhuǎn)民用”。射電望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)的工作方式不同,雷達(dá)是先發(fā)射無線電波再接收物體反射的回波,射電望遠(yuǎn)鏡只是被動(dòng)地接收宇宙天體發(fā)射的無線電波。

 

射電天文學(xué)的誕生

    19世紀(jì)以前,人們一直認(rèn)為,從天上來到人間的**信息是天體發(fā)出的可見光,從來沒有人想起過,天體還會(huì)送來眼睛看不見的“光”。 1800年,英國天文學(xué)家赫歇耳在測量太陽光譜不同區(qū)域的溫度時(shí),發(fā)現(xiàn)光譜紅端之外沒有陽光地方的溫度竟然比可見光之處的溫度還高,他把這種專線稱為“看不見的光線”,也就是我們現(xiàn)在所說的“紅外線”。1801年,德國物理學(xué)家約翰·里特爾又發(fā)現(xiàn)了“紫外光”。

    這樣,在十九世紀(jì)初,人們開始認(rèn)識(shí)到在可見光之外還存在著人眼看不見的輻射。1870年,蘇格蘭物理學(xué)家麥克斯韋建立了一套完整的電磁學(xué)理論。根據(jù)他的理論,電磁場周期性的變化會(huì)產(chǎn)生“電磁輻射”——電磁波。電磁波具有比已經(jīng)觀測到的紫外線更短、比紅外線更長的任意波長??梢姽馐且环N電磁波,它只占電磁波譜的很小一部分。至20世紀(jì)初,人們已經(jīng)在地面實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)了從波長短于0.01毫微米的γ射線到波長大于50O毫米以上的無線電波整個(gè)電磁輻射的跨度。它從短波端的γ射線開始,經(jīng)過X射線,紫外線,可見光,紅外線,直到越來越長的無線電波。今天的天文學(xué)家擁有多種類型的天文望遠(yuǎn)鏡,可以探測到天體在各個(gè)波段的電磁輻射信號(hào),能更**地認(rèn)識(shí)和研究天體的性質(zhì),今天的天文學(xué)被稱為全波段天文學(xué)。
1924年,人們?cè)跍y量地球電離層的高度時(shí),發(fā)現(xiàn)波長短于60米的無線電波穿過電離層飛向太空,一去而不復(fù)返。這就啟發(fā)人們,天體發(fā)出的短于60米的無線電波,也將穿過電離層射到地球表面,也就是說,地球大氣向人們敞開著一扇“無線電窗口”,它的波長范圍從0.1厘米一直延伸到60米左右。

 

射電天文學(xué)的開創(chuàng)者卡爾·揚(yáng)斯基(Karl Guthe Jansky),并不是天文學(xué)家,而是一位從事無線電工作的美國工程師。揚(yáng)斯基生活的時(shí)代,正是無線電工程學(xué)迅猛發(fā)展的時(shí)代。1931年,他在美國新澤西州貝爾電話實(shí)驗(yàn)室研究和尋找干擾無線電波通訊的噪聲源時(shí),發(fā)現(xiàn)除去兩種雷電造成的噪聲外,還存在著第三種噪聲,那是一種很低又很穩(wěn)定的“哨聲”,每隔23小時(shí)56分04秒出現(xiàn)*大值。揚(yáng)斯基對(duì)這一噪聲進(jìn)行了一年多的**測量和周密分析,終于確認(rèn)這種“哨聲”來自地球大氣之外,是銀河系中心人馬座方向發(fā)射的一種無線電波輻射(也稱為射電輻射)。
 
這個(gè)意外的發(fā)現(xiàn),引起了天文學(xué)界的震動(dòng),同時(shí)令當(dāng)時(shí)人們感到迷惑,誰也不認(rèn)為一顆恒星或一種星際物質(zhì)會(huì)發(fā)出如此強(qiáng)烈的無線電波。但是,另一位美國無線電工程師G·雷伯,卻堅(jiān)信揚(yáng)斯基的發(fā)現(xiàn)是真實(shí)的。他研制了一架直徑為9.6米的金屬拋物面天線,并把它對(duì)準(zhǔn)了揚(yáng)斯基曾經(jīng)收到宇宙射電波的天空。這是一架在**次世界大戰(zhàn)以前全世界****的拋物面型射電望遠(yuǎn)鏡。1939年4月,他再次發(fā)現(xiàn)了來自銀河系中心人馬座方向的射電波,所不同的是,揚(yáng)斯基接收的是波長為14.6米的無線電波,而他接收到的是1.9米的無線電波。這樣,雷伯不僅證實(shí)了揚(yáng)斯基的發(fā)現(xiàn),同時(shí)還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了人馬座射電源發(fā)射出許多不同波長的射電波。以后,他又發(fā)現(xiàn)了其它新的射電源,并在1.9米的波長處做出了**幅“射電天圖”。1940年,雷伯發(fā)表了他的研究成果,這些成果受到了人們的重視,但是由于**次世界大戰(zhàn),射電天文學(xué)的研究剛剛起步,就被迫中斷。
**次世界大戰(zhàn)期間,英國人首先發(fā)明了雷達(dá),并用它來預(yù)警德國飛機(jī)的入侵。1942年2月,在英國**許多雷達(dá)站里,同時(shí)發(fā)現(xiàn)了突然的干擾,英國政府很緊張,以為是德國使用了反雷達(dá)的新式武器,于是馬上成立技術(shù)小組進(jìn)行調(diào)查,后來發(fā)現(xiàn),竟是來自太陽的天然干擾。雖然虛驚一場,但是卻**次探測到來自太空的一個(gè)具體的可見天體發(fā)出的無線電波,從而太陽成了首先確定的射電源。這又一次的重要發(fā)現(xiàn),終于使天文學(xué)家認(rèn)識(shí)到,宇宙天體就像發(fā)射可見光波一樣發(fā)射無線電波。從此,人們獲得了通過無線電波探索宇宙奧秘的新途徑,射電天文學(xué)逐步發(fā)展起來。

 

世界主要射電望遠(yuǎn)鏡

    射電望遠(yuǎn)鏡與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡不同,它既沒有高高豎起的望遠(yuǎn)鏡鏡筒,也沒有物鏡、目鏡,它由天線和接收系統(tǒng)兩大部分組成。巨大的天線是射電望遠(yuǎn)鏡*顯著的標(biāo)志,它的種類很多,有拋物面天線、球面天線、半波偶極子天線、螺旋天線等。*常用的是拋物面天線。天線對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡來說,就好比是它的眼睛,它的作用相當(dāng)于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中的物鏡,它要把微弱的宇宙無線電信號(hào)收集起來,然后通過一根特制的管子(波導(dǎo))把收集到的信號(hào)傳送到接收機(jī)中去放大。接收系統(tǒng)的工作原理和普通收音機(jī)差不多,但它具有極高的靈敏度和穩(wěn)定性。接收系統(tǒng)將信號(hào)放大,從噪音中分離出有用的信號(hào),并傳給后端的計(jì)算機(jī)記錄下來。

    射電望遠(yuǎn)鏡的基本原理和光學(xué)反射望遠(yuǎn)鏡相似﹐投射來的電磁波被一**鏡面反射后,同相到達(dá)公共焦點(diǎn)。用旋轉(zhuǎn)拋物面作鏡面易于實(shí)現(xiàn)同相聚焦﹐因此﹐射電望遠(yuǎn)鏡天線大多是拋物面。因?yàn)樯潆娡h(yuǎn)鏡的極限分辨率取決于望遠(yuǎn)鏡的口徑和觀測所用的波長??趶皆酱?,波長越短,分辨率越高。由于無線電波的波長要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可見光的波長,因此射電望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相同口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,而射電望遠(yuǎn)鏡的天線又不能無限做大。這在射電天文學(xué)誕生的初期嚴(yán)重阻礙了射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展。 
    射電天文學(xué)中按電磁波波段區(qū)分﹐使用毫米波段(波長1—10毫米,頻率為30—300GHz)和亞毫米波段(波長約為0.35—1毫米,頻率為300—1,100GHz)進(jìn)行天文觀測研究的一個(gè)分支。20世紀(jì)50年代研制成一系列小型毫米波射電望遠(yuǎn)鏡﹐主要用于測量大氣對(duì)毫米波傳播的效應(yīng)和觀測太陽﹑月球和行星的準(zhǔn)熱輻射。到六十年代后期﹐從毫米波向短波方向和從紅外波段向長波方向的技術(shù)發(fā)展使天文觀測進(jìn)入了亞毫米波段。亞毫米波與較低頻段的微波相比,其特點(diǎn)是:①可利用的頻譜范圍寬,信息容量大;②天線易實(shí)現(xiàn)窄波束和高增益,因而分辨率高,抗干擾性好;③穿透等離子體的能力強(qiáng);④多普勒頻移大,測速靈敏度高。其缺點(diǎn)是在大氣中的傳播衰減嚴(yán)重和器件加工的精度要求高。毫米波、亞毫米波與光波相比,受自然光和熱輻射源的影響小。

    1962年,英國劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的賴爾(Martin Ryle,1918—1984)利用干涉的原理,發(fā)明了綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡,大大提高了射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率。其基本原理是:用相隔兩地的兩架射電望遠(yuǎn)鏡接收同**體的無線電波,兩束波進(jìn)行干涉,其等效分辨率*高可以等同于一架口徑相當(dāng)于兩地之間距離的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。賴爾因?yàn)榇隧?xiàng)發(fā)明獲得1974年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

    1946年﹐英國曼徹斯特大學(xué)開始建造直徑66.5米的固定拋物面射電望遠(yuǎn)鏡。 1955年,英國在曼徹斯特的焦德雷爾班克觀測站建成直徑76米的Lovell全可動(dòng)拋物面射電望遠(yuǎn)鏡,并在1957年跟蹤蘇聯(lián)發(fā)射的**顆人造地球衛(wèi)星時(shí)發(fā)揮重要作用,從此聞名于世。1959年,Lovell射電望遠(yuǎn)鏡*先接收到一架俄羅斯月球探測器發(fā)回來的圖片。20世紀(jì)60年代以來﹐相繼建成的有美國國立射電天文臺(tái)的42.7米射電望遠(yuǎn)鏡,加拿大的46米射電望遠(yuǎn)鏡﹑澳大利亞的64米的Parkes射電望遠(yuǎn)鏡,它們都是全可轉(zhuǎn)拋物面射電望遠(yuǎn)鏡。

500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡——世界*大天文射電望遠(yuǎn)鏡

    1955年,英國在曼徹斯特的焦德雷爾班克(Jodrell Bank)觀測站建成直徑76米的全可動(dòng)拋物面射電望遠(yuǎn)鏡,并在1957年跟蹤蘇聯(lián)發(fā)射的**顆人造地球衛(wèi)星時(shí)發(fā)揮重要作用,從此聞名于世。該望遠(yuǎn)鏡以英國射電天文的奠基人,曼切斯特大學(xué)教授洛維爾(Lovell)爵士命名。這是世界**臺(tái)巨型可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡。

500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡——世界*大天文射電望遠(yuǎn)鏡

 

    1963年,美國在位于中美洲波多黎各島上的阿雷西博天文臺(tái)(Arecibo Observatory)的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡建成,阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡是固定在山谷當(dāng)中的單口徑球面天線,口徑305米(1000英尺),這是世界上*大的單面口徑射電望遠(yuǎn)鏡,由康奈爾大學(xué)管理,后擴(kuò)建為350米。阿雷西博望遠(yuǎn)鏡是固定望遠(yuǎn)鏡,不能轉(zhuǎn)動(dòng),只能通過改變天線潰源的位置掃描天空中的一個(gè)帶狀區(qū)域。1974年,為慶祝改造完成,阿雷西博望遠(yuǎn)鏡向距離地球25,000光年的球狀星團(tuán)M13發(fā)送了一串由1,679個(gè)二進(jìn)制數(shù)字組成的信號(hào),稱為阿雷西博信息。

500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡——世界*大天文射電望遠(yuǎn)鏡

    1961年,澳大利亞**射電天文臺(tái)在新南威爾士州帕克斯(Parkes)小鎮(zhèn)以北20公里處,建成了帕克斯天文觀測站。該站建有一臺(tái)口徑為64米的射電望遠(yuǎn)鏡,是南半球**大的射電望遠(yuǎn)鏡。1969年7月20日,美國阿波羅11號(hào)宇宙飛船登月成功。其從月球發(fā)回、向全球直播的電視信號(hào),就是由這架射電望遠(yuǎn)鏡接收的(另一臺(tái)位于加利福尼亞州的金石(Goldstone)地面站)。1970年,還是這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡,幫助發(fā)生爆炸事故的“阿波羅13”號(hào)宇航員重返地球。從此以后,它協(xié)助了很多太空飛行任務(wù),其中包括1996年前往木星的“伽利略”號(hào)探測器。該望遠(yuǎn)鏡目前仍然在使用中,只在“公眾日”可以進(jìn)入內(nèi)部參觀,并有天文學(xué)家講解。望遠(yuǎn)鏡下面設(shè)有游客接待室和科普電影放映室。

500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡——世界*大天文射電望遠(yuǎn)鏡

1972年8月1日,聯(lián)邦德國在波恩市西南大約40公里的埃費(fèi)爾斯貝格的一個(gè)山谷中,建成了當(dāng)時(shí)世界*大的全向轉(zhuǎn)動(dòng)拋物面射電望遠(yuǎn)鏡——埃費(fèi)爾斯貝格(Effelsberg)。該望遠(yuǎn)鏡于1968年開始建造,其拋物面天線直徑達(dá)100米,屬麥克斯威爾·普朗克射電天文研究所,是當(dāng)時(shí)口徑*大的可跟蹤射電望遠(yuǎn)鏡。經(jīng)過技術(shù)改造,現(xiàn)能觀測90厘米—3.5毫米的射電輻射。

500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡——世界*大天文射電望遠(yuǎn)鏡
 

    1981年,美國**射電天文臺(tái)(NRAO),耗資7800萬美元,在新墨西哥州海拔2124米的圣阿古斯丁平原上,建起了世界*大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡——甚大陣射電望遠(yuǎn)鏡(Very Large Array,縮寫為VLA)。這是由27臺(tái)25米口徑的天線組成的射電望遠(yuǎn)鏡陣列,每個(gè)天線重230噸,架設(shè)在鐵軌上,可以移動(dòng)。27個(gè)龐然大物排成一個(gè)“Y”形,三條鐵軌鋪成的基線互成120度交角,分別長21、21、19千米。每座天線均可以抵御時(shí)速100公里的颶風(fēng)和冰凍低溫環(huán)境。為了降低儀器中的噪聲,其電子系統(tǒng)一直處于零下257攝氏度的超低溫狀態(tài)。VLA工作于6個(gè)波段,*高分辨率可以達(dá)到0.05角秒,與地面大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率相當(dāng)。

 

    天文學(xué)家已經(jīng)使用該望遠(yuǎn)鏡獲得了不少重要發(fā)現(xiàn),比如水星上的水、銀河系內(nèi)的微類星體,遙遠(yuǎn)星系周圍的愛因斯坦環(huán),發(fā)出伽瑪射線暴的星系,等等。(注:恒星發(fā)出的光線可以繞過途徑的大質(zhì)量天體而重新匯聚。也就是說,天文學(xué)家可以觀測到被天體遮擋的恒星,觀測的結(jié)果是個(gè)環(huán),這被稱為“愛因斯坦環(huán)”。

 

500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡——世界*大天文射電望遠(yuǎn)鏡

    2000年8月22日,美國**射電天文臺(tái)(NRAO)在西弗吉尼亞州坡卡洪塔縣的Green Bank(綠岸),建成了世界*大的全天可動(dòng)的單天線射電望遠(yuǎn)鏡——綠岸望遠(yuǎn)鏡(Green Bank Telescope ,縮寫GBT)。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡高146 米,重7700噸,耗資7900萬美元。其碟形天線尺寸為100米x110米,接收面積7854平方米,焦距60米;通過直徑64米的圓型水平輪軌,來調(diào)節(jié)碟形天線朝向,并能調(diào)整每一塊鋁制面板的位置,糾正鏡面的形狀,從而讓科學(xué)家能利用綠岸射電望遠(yuǎn)鏡獲得5度多的仰角天空全視圖。

    綠岸位于西弗吉尼亞州邊界,掩藏于阿巴拉契亞山脈的森林中。這里人煙**,是全美人口密度*低的地方。周圍的群山成為天然的無線電波屏障。1958年,美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)規(guī)定,為保護(hù)射電望遠(yuǎn)鏡不受干擾,在綠岸附近34000平方公里范圍內(nèi)(與我國臺(tái)灣省面積相當(dāng)),設(shè)立“美國**無線電安靜區(qū)”(National Radiao Quiet Zone),禁止無線電發(fā)射。安靜區(qū)里的居民都必須遵守特殊的規(guī)則:微波爐、無線電話被禁止使用;普通汽油機(jī)車也被禁止。天文臺(tái)的工作人員使用的全是上世紀(jì)60年代的老式柴油汽車,沒有火花塞或者現(xiàn)代電子裝置。天文臺(tái)上空通信衛(wèi)星倒不會(huì)構(gòu)成威脅,因?yàn)樗鼈兪褂貌煌碾姴l率。科學(xué)家甚至擔(dān)心他們使用的電腦顯示器產(chǎn)生的微量輻射也可能污染數(shù)據(jù)。綠岸的控制室距離望遠(yuǎn)鏡2英里之外,窗戶上覆蓋著厚厚的銅質(zhì)百葉,門的厚度比得上銀行金庫的門,一切都是為了避免無線電干擾。主控制室容納的臺(tái)式電腦數(shù)量相當(dāng)于一個(gè)小型城市的交通控制中心。

    綠岸望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)是非同尋常型的。通常射電望遠(yuǎn)鏡的天線都有若干支架以支持次級(jí)反射面,這種支架會(huì)阻礙電磁波從而影響天線的**指向,綠岸望遠(yuǎn)鏡采取的是不遮擋設(shè)計(jì)。這種不遮擋設(shè)計(jì)雖然使造價(jià)昂貴但卻具有****的科學(xué)**性。為了實(shí)現(xiàn)這種不遮擋設(shè)計(jì),在望遠(yuǎn)鏡的主軸外有一巨大的饋源臂。

 

500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡——世界*大天文射電望遠(yuǎn)鏡

位于美國波多黎各自由邦的Arecibo射電望遠(yuǎn)鏡,天線口徑為305米。

 

     2002年10月,中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所,在北京密云天文臺(tái)啟動(dòng)50米射電望遠(yuǎn)鏡工程。該鏡天線高56米,總重680噸,由結(jié)構(gòu)、饋源和伺服控制三部分組成;歷時(shí)4年建成,2006年10月通過驗(yàn)收評(píng)審,已成為我國深空探測和射電天文的重要設(shè)備;在嫦娥工程中,承擔(dān)著科學(xué)數(shù)據(jù)接收和VLBI精密測軌兩項(xiàng)重要任務(wù),成功地接收到**張?jiān)虑蛘掌?,?biāo)志著嫦娥工程的圓滿成功。

    2009年12月29日,上海天文臺(tái)在松江佘山舉行65米射電望遠(yuǎn)鏡奠基儀式。該鏡由中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所承建,天線口徑65米,高度70米,總重約2700噸。天線拋物面共14環(huán)由1008塊面板鋪成,底部為直徑為42米的環(huán)形軌道,用于鏡身調(diào)向。該臺(tái)望遠(yuǎn)鏡可用于我國探月二、三期工程、火星探測及其它深空探測工程,成為亞洲VLBI(甚長基線干涉測量)的組成部分。

    2010年12月初,中國**天文臺(tái)召開了“中國射電望遠(yuǎn)鏡陣”(China-ART)科學(xué)與技術(shù)目標(biāo)咨詢會(huì),這是面向**“十三五計(jì)劃”提出的天文項(xiàng)目。China-ART初步規(guī)劃由12臺(tái)80米射電望遠(yuǎn)鏡組成,其中10臺(tái)望遠(yuǎn)鏡組成致密中心陣,建于無線電干擾極小的青藏高原或川西地區(qū);其余2臺(tái)望遠(yuǎn)鏡建在東北和西南,與在建的上海65米和即將建設(shè)的烏魯木齊80米射電望遠(yuǎn)鏡一起分布在中國各地。China-ART具有極高的靈敏度和角分辨率,它們聯(lián)合觀測時(shí)相當(dāng)于304米有效口徑,與我國在建FAST的發(fā)現(xiàn)能力匹配,其威力是目前世界*好的射電望遠(yuǎn)鏡陣VLA的5倍,VLBA的14倍。

    2011年7月,中國科學(xué)院**天文臺(tái)烏魯木齊天文站,經(jīng)過四年選址,確定在新疆奇臺(tái)縣半截溝鎮(zhèn)石河子村,建設(shè)110米全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡。該鏡由中國電子科技集團(tuán)公司第39研究所承建,建成后將成為世界*大可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡。其建成后作為探月工程、火星探測等深度空間探測重要設(shè)備,可滿足多個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)研究需要。110米大口徑射電天文望遠(yuǎn)鏡科學(xué)目標(biāo)包括脈沖星觀測研究、恒星形成與演化研究、高精度VLBI(甚長基線干涉測量)天體測量及天文地球動(dòng)力學(xué)和空間VLBI研究、活動(dòng)星系核研究、巡天發(fā)現(xiàn)更多未知天體等,其科學(xué)應(yīng)用將集中于3方面:一是航天器VLBI深空探測,包括探月、火星探測、深空測軌應(yīng)用;二是脈沖星深空自主導(dǎo)航應(yīng)用;三是脈沖星時(shí)間基準(zhǔn)。

 

500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡——世界*大天文射電望遠(yuǎn)鏡
嫦娥一號(hào)拍攝月球表面照片

 

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