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威力最强的美国基大阵综合孔径射电望远镜

(2005年09月10日 11:46:58)
来源:《太空探索》

□作者: 吴鑫基

[1]




  自卡尔·央斯基偶然发现了来自银河系的射电辐射,雷伯建造了世界上第一台天文射电望远镜,美国就成为射电天文学的发源地。到了20世纪50年代中期,国际上形成了几个射电天文中心,以英国的实力最强:剑桥大学发展大型射电干涉仪,继而孕育综合孔径射电望远镜方案;曼彻斯特大学建造了世界上口径最大的76米可跟踪射电望远镜。而此时的美国逐渐落在了其它国家的后面。为了重新夺回射电天文学的领先地位。在20世纪60年代初,他们开始构想建造甚大阵,分辨率要达到1角秒,灵敏度则要达到0.1毫央斯基,目的就是要超过英国剑桥大学的综合孔径射电望远镜。从构思到实现花了20年,终于在1980年向世人推出世界上最强大的综合孔径射电望远镜——VLA。
  
  威力强大的甚大阵
  
  甚大阵的设计原则是按照英国赖尔提出的原理,但是从灵敏度、分辨率、成像速度和频率覆盖四个方面全面超过英国赖尔综合孔径射电望远镜。
  甚大阵从1961年开始筹划、设计,经过20年的努力,终于在新墨西哥州的一个荒原上出现了一个巨大的天线阵,它相当于一个中等城市,巍巍壮观。望远镜由27面直径25米的可移动的抛物面天线组成,分别安置在三个铺有铁轨的臂上,呈Y形。2个臂长是21千米,另一个臂长为20千米。每个臂上放置9面天线。工作波段最短可达到0.7厘米,因此天线抛物面的精度非常高。最高分辨角为0.05角秒,已经优于地面上的大型光学望远镜了。甚大阵望远镜进行观测是依靠自动化系统来控制和管理的。
  望远镜的灵敏度由总接收面积决定,甚大阵的27面25米的天线,总接收面积达到5万3千平方米,相当于口径为130米的单天线。 因此甚大阵的灵敏度比赖尔望远镜高出12.5倍。就空间分辨率来说,甚大阵的最大基线是36千米,比赖尔望远镜大7倍多,在相同的波段上的分辨率要提高7倍,由于最短工作波长可达0.7厘米,因此甚大阵的最高分辨率要比赖尔望远镜高20倍,达到0.05角秒。相当于在150千米外看清楚一个高尔夫球。赖尔望远镜的8面天线是东西方向一字排开,利用地球自转,需要对一个目标观测12小时,才能移动天线以获得另一种天线间距的观测。而甚大阵采用Y形排列,可以获得小于8小时的快速成像。
  
  甚大阵的天线和接收机
  

  甚大阵是在1973年4月开始兴建的,1975年9月第一个天线到位,1980 年甚大阵全部完成并投入使用,比原计划提前1年。在1977~1978年,科学家们已经用建成的部分天线取得了很好的观测成果。。
  甚大阵的每个天线的直径为25米,重230吨。在使用时有4种阵形: A阵,天线分离最大,36千米;B阵,天线分离3.6千米; C阵,天线分离1千米。望远镜每4个月换一次阵形。以适应不同的观测课题。天线的运转和控制快速而灵活。方位角每分钟可移动40度;仰角每分钟20度。地平8度以上的天体均可进行观测。
  甚大阵的频率覆盖很宽,从74MHz到50GHz(约为400~0.7cm)。因此馈源和接收机系统就比较复杂。在低频段,可实现4个频段的同时观测,较高的频段则分为P、L、C、X、U、K、Q七个频段。各频段的视场、分辨率和系统的噪声温度如上表所示:
  
  扩展的甚大阵(EVLA)
  
  为了进一步提高甚大阵的威力,美国射电天文学家要在现有的基础上(27面25米天线)加以扩建,取名为EVLA。在离现在的甚大阵250千米远增加8个新的观测站。这将使现在的设备的科学能力大大提高,使所有的观测参数品质提高10倍。
  在频率5GHz以下灵敏度提高5倍,在10~50GHz灵敏度要提高20倍。频率范围在1~50GHz,但是可以延展到300MHz。频率分辨率很强,具有262144个频率通道可提供灵活、可变化的频率分辨率1MHz和1Hz。最大的空间分辨率从0.004角秒(50GHz)到0.2角秒(1GHz),这个分辨率已经达到了一般的甚长基线干涉(VLBI)的高分辨率了。
  
  成就卓著
  
  甚大阵在1980年建成后使射电观测能力极大地增强。它的分辨率和灵敏度都比剑桥大学综合孔径射电望远镜的情况提高了一个数量级,看得更远,分辨得更清楚。20年来,来自世界各国天文研究院、所的2200多位学者使用甚大阵进行了1万多个课题的观测。这些课题几乎涉及天文学研究的全部领域,无所不包,从行星学科到宇宙论。当然,最具威力的是对遥远而微弱的天体的分辨和成像观测。


  在金牛座中,有一个名为LDN1551的由气体和尘埃组成的巨大的分子云。在那里类似太阳大小或更小一些的恒星不断地诞生,成为年轻恒星集聚的地方,引起天文学家的关注。甚大阵对准一个以前的红外和射电观测都认为是单个的恒星,出人意料的发现这个天体并不是一个单个的年轻恒星,而是一对年轻的双星。(尺度棒代表20天文单位的距离)甚大阵超群的分辨率把这个相距很近的双星分辨得很清楚,而且,还把围绕恒星的由尘埃组成的轨道盘状物清楚地显现出来。这个离我们450光年远的双星的线间距只有太阳到冥王星的距离,其角径非常之小,要不是甚大阵超强的分辨率,是不可能分辨出的。
  喷流现象是天文学家观测到的宇宙中最奇特的现象之一。甚大阵的高分辨率观测给出一批射电源的喷流资料。射电源3C449是一个巨椭圆星系,甚大阵展示出了它的“核-双喷流-双展源”结构。两个分离的展源称为射电源的瓣,两个瓣之间有一个致密源为星系核,星系核的两边有两个准直性很强的射电辐射束,称为喷流,一直射到两个瓣。喷流是能量从核传输到外面的射电展源(瓣)的通道,而光学观测到的喷流尺度只有射电的1/10。
  1994年发现的微类星体是甚大阵在建立以来最有价值的成果之一。微类星体被认为是由中子星或黑洞组成的双星系统,发射X射线,只有几个太阳质量。它与有着巨大质量的星系核或类星体有着共同的现象,如极端的能量和喷流。甚大阵给世人展示一个生动的产生双源的爆发过程。左下图最上面图像是第一次观测结果,其核心是X射线源,天文学家推测是由黑洞和一个伴星组成的双星系统。在几天以后,一个巨大的喷射事件产生了两个分别向左右移动的致密体,第二个图中的十字符号是固定源的位置。图的右边标出观测的日期,从3月18日到4月16日近一个月,这两个致密源的分离超过了1万个天文单位。两个致密源真实的速度为0.92倍光速。黑洞的引力把持正常恒星在一个紧密的轨道上,从伴星来的气体被传输或吸积到黑洞,产生百万度的高温,从而辐射X射线。
  甚大阵综合孔径射电望远镜已经在天文观测上奠定了自己辉煌的地位,向人们展示了宇宙演化中多姿多彩的场景。在天文学家的眼中,它无疑还会是今后一段时间内的宠儿。
 
 

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文章作者:吴鑫基
责任编辑:skylook

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文章评论:
  1. 强! (2006年04月26日 23:13:33 - 游客)
    期待中国的EVLA。。。。。
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