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荷兰和澳大利亚的综合孔径射电望远镜

(2005年08月25日 10:01:24)
来源:《太空探索》

□作者: 吴鑫基

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  自从赖尔发明综合孔径射电望远镜以后,射电望远镜的分辨率和成像观测能力逐渐接近甚至超过光学望远镜。在这之后,综合孔径射电望远镜风靡全世界,至今仍具强劲的发展势头。跟得最快的要数荷兰的射电天文学家。在英国1964年开始启用等效直径1.6千米综合孔径射电望远镜的2年后,荷兰天文学家就动工兴建他们的综合孔径射电望远镜,使用的天线孔径和数目都超过英国剑桥大学的5千米综合孔径射电望远镜,而且还早英国剑桥2年于1970年投入使用。澳大利亚发展综合孔径技术比较晚,1988年才建成综合孔径射电望远镜,但是其重要性却非同寻常,成为南半球分辨率和灵敏度最高的成像射电望远镜,管了半边天,是北半球许多大型射电望远镜所不能替代的,成为国际上最重要的射电天文观测设备之一。
  
  荷兰综合孔径射电望远镜(WSRT
  
  荷兰的射电天文学起步比较早,在第二次世界大战结束以后,利用德国人的军用雷达就建造了第一台射电望远镜。在赖尔发明综合孔径射电望远镜后不久,1966年就开始建造Westerbork综合孔径射电望远镜,简称WSRT19707月建成启用。接收面积比剑桥综合孔径望远镜要大,灵敏度要高出6.5倍,成为当时灵敏度最高的综合孔径射电望远镜。后来美国的甚大阵(VLA)问世后,WSRT才退居次位。当然,1970年建成时的规模和功能都不如现在。在19751980年期间,进行了大规模的改进才变成今天的样子。
  WSRT14面直径为25米抛物面天线组成,东西向排列在2700千米的基线上。这些天线都可以在观测室进行操纵,令其指向天空中任一方向。十面天线固定,4面天线可以在铁轨上移动。前置放大系统安置在每个天线的焦点处,采用液态氦制冷,温度为15K,即摄氏零下258 度。14面天线接收到的天体信号经前置放大后用同轴电缆输送到观测控制室。观测控制室有很好的视野,很容易监视天线的运转情况。
  中频放大系统的频带宽度可达160MHz。观测频率范围从250MHz8700MHz, 8个分离的馈源系统覆盖这个频率范围。可以在1分钟内很快地将14面天线的馈源进行更换。可以用单一波段进行观测,也可以23个波段同时观测。根据综合孔径射电望远镜的原理,把10面天线放置在铁轨上,目的为了进行不同间距情况的多次观测。每观测12小时后,移动天线放到预先计算好的位置上再观测12小时,尔后再移动位置,直到获得所需要的各种不同的天线间距的测量。计算机处理资料后便得到一幅观测天区的射电图。
  
  综合孔径射电望远镜的最大优点是成像观测,但是对有些射电点源,如直径才20千米的脉冲星,则不可能成像,只能对它们的信号进行周期分析。因此对脉冲星的观测只追求灵敏度和时间分辨率。荷兰WSRT1425米直径的天线总接收面积相当于一面直径93米的大天线,仅次于德国埃费尔斯贝格和美国格林班克的100米直径的射电望远镜天线。把14面天线接收到的天体信息采用同相相加的方法就可以把它们当作一面大天线来使用,成为观测脉冲星的强有力的观测设备。还可以对射电源进行偏振观测。利用互相关方法进行谱线观测。荷兰综合孔径射电望远镜还可以与欧洲的射电望远镜组合起来形成分辨率和灵敏度更高的射电望远镜。
  WSRT能进行的观测研究课题非常丰富,涉及射电天文学的各个方面,包括巡天发现新射电源,对已发现的遥远的星系、致密天体脉冲星、中性氢和电离氢云等进行详细的观测研究。
  
  澳大利亚综合孔径射电望远镜(ATCA
  
  早期的澳大利亚射电天文学处于国际先锋的角色,但是到了20世纪80年代,综合孔径和VLBI(甚长基线干涉测量技术)蓬勃发展,单天线已经不能独霸天下了。澳大利亚的射电天文观测设备开始落后了。再次崛起要靠研制更先进的射电望远镜。1983年联邦政府拨款研制澳大利亚望远镜,即澳综合孔径射电望远镜,作为庆祝澳大利亚建国200周年献礼项目之一。1984年开始兴建,1988年如期完成并投入使用。全名为Australia Telescope Compact Array,简称ATCA。总共耗资5千万澳元。
  
  Narrabri射电天文台的ATCA,由6面直径22米的天线组成,东西向一字排开,基线全长6千米。相当于一面直径为6千米天线的射电望远镜的分辨率。6面天线中,一面天线固定,其它5面放置在铁轨上,可以按照要求移动到预定的位置上,以取得不同的天线间距情况下的观测数据。要获得一张优质的射电源图像需要观测34次,每次12小时。
  天线获得的天体信息由光纤送到主控制室的接收系统,由特殊的计算机构成的相关器来处理这些数据。每个天线配备4根光纤,共24根光纤,总长160千米。光纤所传输的天体信息就像暴风雨般,以每秒2.5百亿比特的速度传输数据。光纤还兼有发出控制天线和接收机信息、以及进行实时观测的功能。
  22米直径的单天线具有比较大的视场,有利于获得或拼接大天区范围的射电源分布图。工作频率在1.410GHz之间的4个频段上。天线表面的中间部分加工精度最高,可以工作到115GHz上,也就是短毫米波段,可以获得世界上最好的射电源短毫米波上的图像。
  现今的大型综合孔径射电望远镜都在北半球,ATCA是南半球灵敏度和分辨率最高的综合孔径射电望远镜。虽然它的功能不及美国的VLA,但是它能观测VLA观测不到的高南纬的射电源,成为国际上最重要的综合孔径射电望远镜之一。大小麦哲伦云是离银河系最近的两个星系。天文学家期望能详尽的研究它们。由于这两个星系处在南天,成为澳大利亚望远镜观测最好的目标之一。
  这六面天线还可以与其它两面天线组合一个射电望远镜系统,一面天线在几千米以外的Coonabarabran附近,一面则在几百千米以外的Parkes。整个系统可以获得近似于一面320千米直径的大天线的分辨率。笔者有幸于20008月在澳著名学者Manchester的陪同下先后参观访问射电天文台,留下了深刻的印象。



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文章作者:吴鑫基
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