Bo Zhang's Homepage
..The universe is unfolding as it should..

2016-12-23

固定式射电望远镜一览

这周早些时候听了荷兰射电天文学研究所的Richard G. Strom教授的报告,之后才知道像FAST或阿雷西博这种碟面固定的射电望远镜绝非个例,只是规模都不及前两者,获得的关注也不多而已。就此搜索开去,发现这些天线有相当一部分还在天文史上扮演了不小的角色,遂整理记录于此,这也算是勾勒出射电天文史上一个鲜为人知又饶有兴味的侧面。

先说说Strom教授在报告中未涵盖,但自己之前多少有所耳闻的几类。一是所谓的克劳斯型射电望远镜,最初由美国物理学家John D. Kraus设计。这类仪器由南北向倾斜、平面结构的主反射镜与球面的次级反射镜组成,焦点处安装有可移动的接收机。克劳斯型射电望远镜只能观测子午圈附近的天体,由接收机在轨道上东西向移动进行跟踪。它的优点自然是结构简单,这就意味着系统稳定性佳,易于维护同时规模上可以做得很大;但其缺点是可观测目标受限(其实这是大部分固定式射电望远镜的共同短板)。美国俄亥俄州因在SETI搜索中接收到“Wow!”信号而出名的“大耳朵”天线以及法国的南赛(Nançay)射电望远镜都属此类,此外后面要提到的俄罗斯神奇望远镜RATAN-600的南段也可以充当变形的克劳斯式望远镜的一部分使用。

法国南赛射电天文观测站的南赛射电望远镜主反射面,长200米、宽40米。其次级反射面长300米、宽35米。(图片来源:Wikipedia

另外一种是指向固定的柱形抛物面天线,如旨在通过测量早期宇宙中的星系21厘米氢线辐射来为暗能量定性,并兼职搜索快速射电暴的加拿大氢线强度测绘实验(CHIME),它只能观测天顶附近的区域。另外也有的柱面天线只能沿长轴摆动,如意大利的北十字射电望远镜以及占据米尔斯十字望远镜前台址的澳大利亚莫隆格勒(Molonglo)综合孔径望远镜。这类望远镜不具备传统意义上的焦点,而是以贯穿柱面的焦线代替,其上需要放置多台接收机。

建造中的CHIME阵列。(图片提供:The CHIME collaboration)

第三类是结构相对简单的天线组成的大型阵列,比如由荷兰射电天文学研究所主持、设在欧洲多处台址的低频阵LOFAR,只使用最简单的无定向天线接收10-240 MHz的信号,并使用综合孔径软件得出低频射电图像。由于这种天线波束并无强烈的指向性,其观测的方向不是由望远镜本身,而是由数据处理软件决定,因此只要计算机性能足够,就可同时供应多名观测者研究多个目标。未来平方千米阵的低频阵列SKA-low也将采用类似的“软件望远镜”设计,其优点是观测效率高,而且支出的大部头是计算机硬件而非天线建造费用,成本相对较低。当然,将这些天线数据综合起来所需的计算资源惊人,能够满足要求的超级计算机本身也是价格不菲的,故而其成本低也是相对而言。

由大量偶极天线组成的低频阵列SKA-low的艺术效果图。(图片提供:SKA Organisation)

而Strom教授在这次报告中关注的,确切地说应该是固定碟面式的望远镜,以最简单的支撑机构换取最大的接收面积。这种尝试源自英国焦德雷班克天文台的创建者兼首任台长Bernard Lovell爵士。Lovell在二战前于曼彻斯特大学从事宇宙学研究,战时转行开发雷达系统,并参与了世界上第一种机载对地扫描雷达H2S的研制。二战结束后,Lovell带着剩下的军用雷达元件回到学校,希望能够继续先前的工作。

固定式射电望远镜的先驱Bernard Lovell爵士。(图片提供:Jodrell Bank Centre for Astrophysics, University of Manchester)

由于市区的无线电干扰日益严重,Lovell来到了大学设在曼彻斯特南郊的植物学研究站焦德雷班克(Jodrell Bank)。考虑雷达脉冲可以被宇宙线簇射引发的大气电离反射,他的团队希望能捕获相关的踪迹。早期借助中等大小天线进行的实验确实收获了不少信号,但进一步的分析表明它们实际来自流星尾迹而非宇宙线。Lovell最终意识到,如果想发现宇宙线的身影,必须要具备规模更大的天线——出于节约支架成本的考虑,他们在地面上用脚手架桩和铁丝铺设了直径218英尺(66米)的固定式抛物反射面,远较当时长度只有几米的八木或乌兹堡天线为大。而之所以选择这样的口径,只不过是受场地所限而已。这架天线属于“中天”式望远镜,只能观测天顶附近的很小天区。天线顶部用长126英尺的高竿支撑起了抛物面焦点处的偶极馈源,装备有接收72和158.5 MHz的接收机;后来这里的研究者又发现了偏轴观测的可行性,于是经由转动支竿沿子午平面移动焦点,将观测范围扩展到了赤纬38度到68度之间。

焦德雷班克天文台的218英寸固定式反射面。(图片提供:Jodrell Bank Centre for Astrophysics, University of Manchester)

如此庞大的设备还是没能探测到任何与宇宙线的关联,却对早期射电天文学作出了很多贡献,其中最重要的就是1951年来自仙女星系M31的射电信号的发现。研究者由此初步估计出,地球上收到的天体射电辐射大约占了1%的比例。另外它还在有限范围内开展了巡天,找到了一批新的射电源,最终促成了天文台76米全动式射电望远镜的建造,让焦德雷班克成为英国乃至全世界射电研究的圣地,这是无心插柳柳成荫的典型。

焦德雷班克天文台的218英寸望远镜在1950年10月31日M31上中天期间记录下的信号。(图片来源:Brown & Hazard 1951

在焦德雷班克天文台218英寸中天天线铺设之后不久的1951年,在荷兰邮政、电话与电报服务部无线电工程师A. H. de Voogt的倡议下,当年荷兰的无线电通信中心——仅有30余户人家的小村Kootwijk也落成了一架30米的固定式望远镜,它被当地人称为“雷达洞”。虽然如今Kootwijk村的射电天文观测早已不再继续,这里却有着光辉的历史——在30米天线落成的同年,简·奥尔特等人参与了射电天文学最重要的谱线——21厘米中性氢超精细结构跃迁线的发现,随后他又带领学生绘制了第一张银河系的射电图。但这些大抵是同村乌兹堡天线的功劳,跟30米雷达洞没有多少的关系。

Kootwijk村的30米天线以原有的由混凝土筑成,表面铺有用于反射射电波的金属网格,足以进行米波观测。为了保证明亮射电源天鹅A每日可见,天线向南方倾斜了10度,以籍此监测地球大气电离层的变化。但鉴于Kootwijk村坐拥数台大型发报机,观测效果可想而知,望远镜最后也被弃之不用,甚至成了当地青少年的自行车赛道。1966年,村中为数不多的居民全部搬出,村落随之废弃。

Kootwijk村倾斜的30米固定式天线。(图片来源:Spiral Galaxy, the Milky Way Unravelled

同样在1951年,在南半球的澳大利亚悉尼附近的多佛高地(Dover Heights),澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)射电物理部的天文学家John Bolton、Gordon Stanley与Bruce Slee不满于小小的八木天线阵却面临经费无望的困境,在焦德雷班克中天天线的启发下,决定自力更生建造新的设备。在3个月的时间里,三人利用午休时间在沙地上挖出了一个直径21.9米的凹坑,然后用泥灰将其夯实,又铺上了包装箱上拆下的金属条增强反射性。一根长竿从凹坑中央撑起,上面安装着充当馈源的偶极子,建成了“地洞”望远镜。考虑在悉尼附近银心每天都会通过天顶,这架天线像焦德雷班克的中天天线一样,也是直指天顶的,原因是在悉尼附近银心每天都会从它的视野中通过。还是与焦德雷班克相似的是,它改变所指的赤纬也可以通过调整馈源竿来实现。

Gordon Stanley正在使用经纬仪测量地洞望远镜的馈源竿位置。(图片提供:CSIRO)

鉴于初期运行效果尚可,1953年,“地洞”望远镜的口径又被扩大到了24.4米,而且表面也鸟枪换炮升级成了混凝土,又铺上了更为细致的金属丝网。这架望远镜最终确认了银心的射电对应体——人马A,最终这里成为了银道坐标系的原点,也为望远镜赚来了名声。只是在1954年,CSIRO的射电物理部转移到了新的观测基地,但在奠定澳大利亚射电天文学全球领军地位的过程中,多佛高地功不可没。

地洞望远镜测量到的银心400 MHz射电辐射等高线图。(图片提供:CSIRO)

20世纪50年代中期,前苏联天文学家I. G. Moiseev也在克里米亚海滨的Simeiz天文台建成了两架固定式射电望远镜,用以间接研究太阳大气;二者还可以充当干涉仪协同使用。望远镜的轴向朝南倾斜,保证又一个强射电源——蟹状星云每日可以进入视野。其中的一架望远镜后来表面作了镀层处理,可以用于接收厘米波。10厘米波段蟹状星云偏振的发现,还有前苏联最早的太阳射电图都是这两架天线值得一提的成果。但可惜的是,这两架天线在网络上的相关资料少到可怜,相关论文无法阅读全文,甚至连照片也不得一见,颇为遗憾。

随后就是1963年启用至今的305米阿雷西博望远镜了,除了天文学研究,设计者W. E. Gordon构想出的另一个目标是利用雷达散射探索电离层与行星和小天体,所以它还额外配备有主动雷达装置,这一项到现在为止都还是无可替代的,在此顺祝它在明年美国国家科学基金会的最终评估中好运。受到阿雷西博成功的启发,刚刚成立不久的马萨诸塞州五院校射电天文台在1970年启动了用于搜索河内脉冲星的球面低频天线阵计划。按最初的设想,该阵列由32面120英尺(约40米)口径的金属网望远镜组成,由支架架高,它们联合起来能够凭借较低的成本获得与300米单天线相当的集光面积,但其最终落成的天线只有4架。1993年诺贝尔奖得主Joseph Taylor和Russell Hulse在此开发了发现第一对脉冲双星所需的仪器,只是脉冲双星本身的发现是在阿雷西博天文台完成的。后来五院校天文台转行从事毫米波天文学,最终在麻省大学阿默斯特(Amherst)分校全面投入大型毫米波望远镜计划之后被废弃并拆除。

五院校天文台夜景,圆顶内安装有14米口径毫米波望远镜,背景中4架固定式天线依稀可见。(图片提供:FCRAO, UMass Amherst)

前苏联在1974年建成、1977年正式启用的RATAN-600属于固定式射电望远镜中的异数。这架至今仍旧保持单天线口径记录(但集光面积并非最大)的576米望远镜是从100米全动式天线、200米固定式全反射面阿雷西博式天线以及普尔科沃式可变结构天线三个大望远镜设计方案中选择而出的,它座落在高加索山特设天体物理台的6米望远镜附近,由紧密排列成环形的一系列矩形主反射面、中央沿轨道运动的锥形次级反射面、克劳斯式平面反射面以及5面抛物柱形次级反射面组成,有多种工作模式,其中包括前面提到的三反射面克劳斯模式(以环面南段为次级反射面,柱面为第三反射面)、以柱面为次级反射面的双反射面模式,还有整个环面协同将入射电磁波反射向中心的单天线模式。这其中,在前两种模式下工作时,这是一架不太大的部分可动望远镜;而在最后一种模式下,RATAN-600可以被视作是一架固定式的中天望远镜,获得将近600米天线的分辨率,但灵敏度要大打折扣。多年以来它的科学产出不算多,据说是受制于复杂的机械结构,故障连连的缘故。不过话说回来,这货到底能不能算作单天线望远镜,本人还是比较有疑问……

RATAN-600的全景。(图片提供:SAO, RAS)

也是在1974年,美国国家科学基金会赞助的米尔斯通(Millstone)山超高频非相干散射雷达落成。这面口径67米、直指天顶的天线受麻省理工学院海斯塔克(Haystack)天文台的管辖,也许应该算作广义上的固定式射电望远镜的一份子,虽然它似乎从来没有进行过天体观测。该天线的用途是充分利用所在地亚极光纬度之便,借助电离层电子的汤姆孙反向散射来研究地球大气中极光与亚极光的电离层和热层,还算是同空间天气相关,打了个天文的擦边球。

米尔斯通山非相干散射雷达。(图片提供:MIT Haystack Observatory)

1975-1985年间亚美尼亚无线电物理研究所在Aragats山落成的ROT54/2.6同光轴射电/光学望远镜堪称本文提到的所有这些望远镜中最古怪也是最绝无仅有的一个组合,它因亚美尼亚科学院院士Paris M. Herouni在2007年的学院报告上重新提起而又被称为Herouni望远镜。其中的半球形射电反射面口径54米,与上世纪90年代升级后的阿雷西博望远镜使用格里高利焦点舱中的次级反射面改正球面聚焦问题类似,ROT54也通过特殊形状的次级反射面保证合焦(因而其每次观测可利用的有效口径只有32米,实际上阿雷西博在使用焦点舱而非馈线时也只能用到轴径250米上下的椭圆形反射面),应当说这是很超前的设计。其铺有4000块镜面式金属板的反射面精度也是迄今所有固定式射电望远镜(甚至包括刚刚落成的FAST)中最高的,可以达到毫米级。

ROT54/2.6射电天线部分的眩目夜景。(图片版权:Ria Novosti)

在射电天线之外,ROT54/2.6还配有口径2.6米的光学望远镜,二者观测同一个目标,可以实时进行多波段联测。按说这应该是个不错的思路(尤其是对瞬变现象的观测),再加上射电部分硬件的极高质量,理应作出一些重大发现才是,但所见的相关成果却屈指可数。而比望远镜本身还要古怪的是,Herouni在2007年提及该望远镜是因为,他声称以ROT54反射面的灵敏度,当天线对准天顶时理应收到2.7(微波背景辐射)+2.6(系统噪声)开尔文的信号,但实际上他们只测到了后者。这意味着要么该系统达到了理想状况,要么大爆炸的余辉不存在,这场宇宙创生事件压根没有发生过,这是什么情况?!!!或者反过来说,这其实说明了该望远镜在某些方面的指标并没有所宣称的那样高,或者测量过程受到了台址环境的干扰?

与前辈相比,今年9月刚刚竣工的FAST望远镜最大的不同就在于柔性索网支撑的可变形反射面,可以随时形成供观测用的抛物面。这样做的代价是标称500米的口径每次只能用上300余米,但这在一定程度上克服使用副反射面再聚焦的球面镜观测范围受限且波束不对称的不足。虽说正如《天空与望远镜》杂志所述,在干涉仪日益兴盛之际,未来很可能不会再有口径更大的单天线射电望远镜问世了,而SKA这种广布小天线联结成巨型阵列的举措才是新的主流,但单天线数据可靠易处理而很少引入假像的优点是天线阵所不具备的,对弱源尤其如此。这次的落成于FAST只是个开始,后面的调试更加繁琐,嗯,任重道远。

最后顺便一提,固定式绝非射电望远镜的专利,同类光学望远镜也存在,比如之前提到过的液体镜面望远镜,以及纳入伦敦大火纪念碑的天顶镜,但它们的可观测视场比固定式的射电天线还要受限,只能用于特殊目的,终究不是主流。

 

参考资料:
[1] 关于焦德雷班克天文台的218英寸中天天线:http://www.jb.man.ac.uk/aboutus/lovell/build.html
[2] 关于Kootwijk村的射电天文学传统:http://www.lightcurvefilms.com/spiralgalaxy/en/html/locaties_kootwijk.html
[3] 关于多佛高地的射电研究:http://www.atnf.csiro.au/outreach/about/history/doverheights/index.html
[4] 克里米亚天文台的早期射电天文学研究:http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-007-2834-9_7/fulltext.html
[5] 五院校天文台的相关历史:https://daisy.astro.umass.edu/media/dept_file/history.pdf
[6] RATAN-600简介:https://www.sao.ru/hq/CG/cold/part2.htm
[7] Herouni院士利用ROT54射电望远镜的诡异观测:http://rnas.asj-oa.am/2542/1/73.pdf

No Comments

No comments yet.

RSS feed for comments on this post.

Sorry, the comment form is closed at this time.

首页 | 天文 | 科学 | 摄影 | 模型 | CV | 版权声明 | 联系站长
京ICP备05002854号-2 Powered by WordPress Version 2.0.6
Licensed under Creative Commons Licenses

porno izle