中國射電望遠鏡的發展

中國射電望遠鏡的發展

米立功

【摘 要】中國射電天文技術經過58年的發展,已經有了長足的進步,它的重要標志

就是射電望遠鏡.目前,中國已經建設完成了一批具有世界知名度的大型射電望遠鏡,

它們在天文學研究中發揮著越來越重要的作用.回顧了中國射電望遠鏡長期的發展

歷程,重點介紹了不同發展時期最具代表性的射電望遠鏡及其陣列,也對未來射電天

文發展作了展望.

【期刊名稱】《黔南民族師范學院學報》

【年(卷),期】2016(036)006

【總頁數】4頁(P107-110)

【關鍵詞】天文技術—儀器:射電望遠鏡;天文學;射電陣

【作 者】米立功

【作者單位】黔南民族師范學院物理與電子科學學院,貴州都勻558000

【正文語種】中 文

【中圖分類】P1-092

在20世紀30年代之前，人類主要借助肉眼和光學望遠鏡對宇宙空間進行觀察，

盡管在19世紀末，一批天文學家，包括Johannes Wilsing和Julius Scheiner等，

曾多次嘗試探測太陽的射電輻射，但由于受當時天文儀器技術的限制，并沒有探測

到任何來自宇宙天體的射電信號，直到1930s，Karl Jansky首次在20.5MHz的

波段上記錄了來自銀河系的無線電波，標志著射電天文學的誕生[1]。1937年，

Grote Reber受Jansky開拓性工作的激勵，建造了一個口徑9米的射電望遠鏡，

他重復了Jansky的工作并在射電波段開展了第一次巡天[2]。1940s， James

Stanley Hey， George Clark Southworth等人先后探測到了來自太陽的射電輻

射，隨后，天文學家陸續探測了其他天體的射電輻射，取得了巨大的成果，尤其是

在1960s，天文學家通過射電觀測先后發現了類星體(1960年)、星際分子(1963

年)、微波背景輻射(1964年)、脈沖星(1967年)等，使人們對宇宙的認識發生了根

本性的變化。隨著射電天文技術，特別是甚長基線干涉技術(VLBI)的進步，射電天

文得到了突飛猛進的發展，射電天文觀測將人們的視野從太陽系一直延伸到宇宙的

邊緣，射電天文學也成了天文學領域最富生命力的學科之一。

射電天文學的發展離不開射電望遠鏡技術的進步，射電望遠鏡主要包括單口徑射電

望遠鏡、綜合孔徑射電望遠鏡以及甚長基線干涉陣。目前，世界上具有代表性的單

口徑射電望遠鏡有澳大利亞、意大利的兩架64米望遠鏡、上海的65米射電望遠

鏡、英國的76米望遠鏡、德國的100米射電望遠鏡、美國的110米射電望遠鏡

(GBT)和305米射電望遠鏡、貴州500米球面射電望遠鏡等。射電望遠鏡的分辨

率θ取決于口徑D與觀測波長λ，即θ=1.22λ/D。當觀測波長恒定時，口徑越大，

分辨率越高。由于射電波長遠大于可見光波長，因而射電望遠鏡的分辨本領較之相

同口徑的光學望遠鏡要低得多，對于射電望遠鏡來說，單靠增大口徑來提高分辨率

面臨很多困難，這促使天文學家開始考慮更有效的干涉技術。20世紀60年代，

英國劍橋大學卡文迪許實驗室的Ryle利用干涉原理，發明了綜合孔徑射電望遠鏡

[3]，極大提高了射電望遠鏡的分辨率。射電干涉原理類似于光學的麥克爾遜干涉，

就是通過相隔兩地的兩臺望遠鏡接收同一天體的射電信號并使兩束波進行干涉，其

分辨率等效于一臺口徑相當于兩地距離的單口徑望遠鏡的分辨率。早期射電干涉儀

是用電纜鏈接的，受技術的限制，連線一般少于幾十公里，也有用微波信號鏈接的，

可以達到數百公里[4]。20世紀60年代后期，甚長基線干涉(VLBI)測量成功地使

得射電干涉儀不再需要物理鏈接，基線長度可以達到數千公里。VLBI技術能夠提

供遙遠的宇宙天體的結構圖像，1967年，Broten等人在對活動星系核的觀測中

第一次記錄到VLBI連續譜干涉條紋。目前，世界上最具代表性的VLBI陣列有美

國的VLBA、橫跨亞歐的EVN、南半球的LBA以及日本的VSOP等[5]。

2.1 第一個發展時期：20世紀50年代末到80年代中期

中國射電天文起步于20世紀50年代末。1956年，中央提出'向科學進軍'的口號，

同年中國制定了第一個科學技術發展遠景規劃，在此背景下，以吳有訓先生為主導

的科學家們希望在北京建立一個現代化的天文臺(北京天文臺)，他們以海南島日環

食為契機，于1958年引進了前蘇聯的射電天文技術，隨后，王綬琯院士領銜籌建

北京天文臺的射電部分[6]。1959年，國內辦了第一個射電天文培訓班，開始培養

新中國第一批射電天文人才。20世紀60年代初，主要進行了射電天文基礎建設

與規劃的制定，先后籌建了北京天文臺的興隆站和密云站。1963年，由國內自主

設計的密云米波多天線干涉儀開始建造，1967年第一期工程竣工，之后開始向射

電綜合孔徑望遠鏡發展。望遠鏡的研制由于受文化大革命的影響中斷了很多年。文

化大革命之后，國內的天文學家們到國外學習了射電天文新技術，1984年，完成

了米波綜合孔徑望遠鏡的建設。密云米波綜合口徑射電望遠鏡最初設計由32個6

米的天線組成，后擴展到由28面9米天線組成一個東西排列的陣列，最長基線為

1080米，觀測波段為232MHz和327MHz。利用該望遠鏡，在232MHz波段上，

曾對北天赤緯30度以上天區進行系統地巡天工作，記錄下萬余射電源，從中發現

了一批新射電源。20世紀70年代，國際上毫米波射電天文學迅速發展。國內在

這個時期也開始著手籌建自己的毫米波觀測站。1978年，紫金山天文臺在青海籌

建德令哈射電望遠鏡，并于1982年開工建設。值得一提的是，在1975年，中國

提出了在我國開展甚長基線干涉(VLBI)工作的論證和建議。

2.2 第二個發展時期：20世紀80年代中期到20世紀90年代

在這個時期，國內建設完成了一批有重要影響的大型射電望遠鏡，包括德令哈

13.7米射電望遠鏡，上海佘山25米望遠鏡和烏魯木齊25米射電望遠鏡，圍繞這

批射電望遠鏡開展的觀測研究使國內宇宙射電天文得到迅速的發展。同時，國內

VLBI射電天文也得到迅速發展并與國際VLBI網接軌，成為其重要的組成部分。

1986年，上海佘山25米射電望遠鏡建設完成并于第二年開始投入使用，是國內

最早建成的第一臺大型射電望遠鏡，主要用于VLBI觀測[7]。它的工作波段為1.3-

18厘米。1991年，該望遠鏡加入了歐洲VLBI網(EVN)，成為協聯成員，1994年

成為EVN正式成員，并開始進行甚長基線干涉觀測。歐洲VLBI網由于上海25米

口徑射電望遠鏡的加入，使基線長了3倍多，分辨率提高3倍多。隨后，該望遠

鏡又成為美國VLBI網和亞太地區望遠鏡(APT)的重要成員。1997年，該望遠鏡參

加了空間VLBI觀測，隨后成為空間VLBI觀測計劃的地面工作站之一，1998年參

加了國際VLBI網的觀測，還參加了三次火星環球勘探號的VLBI定位觀測。

德令哈13.7米毫米波射電望遠鏡在1990年基本建成，并開始觀測氨和水分子的

譜線，1996年，研制完成13mm的制冷接收機，正式開始毫米波的觀測。該望

遠鏡是我國第一臺毫米波射電望遠鏡，配備有國內自主研制的90-115GHz SIS超

導接收機，能夠在85-115GHz波段上進行銀河系內分子云、星際分子譜線巡天等

天文觀測研究[8]。

烏魯木齊南山基地始建于1991年，25米射電望遠鏡于1993年11月建成，

1994年完善觀測系統并于年初成功進行了首期VLBI聯測。烏魯木齊南山25米射

電望遠鏡處在亞歐大陸連接點，地理位置優越，歐洲VLBI網因它的加入，其觀測

精度提高了4-5倍。盡管南山25米射電望遠鏡最初是為VLBI觀測目的而建立的，

但它目前已經成為脈沖星、活動星系核、星際分子譜線等科學研究的國內最重要的

臺站之一，特別是脈沖星的觀測研究，在國際上相當大小的射電望遠鏡的脈沖星觀

測研究中處于領先地位[9]。

最后，值得一提的是，二十世紀90年代，世界科學家們渴望能夠回溯到原初宇宙，

解答天文學中的眾多難題，從而提出建造新一代射電“大望遠鏡”的倡議。1995

年，中國科學院國家天文臺聯合國內20余所大學和研究單位成立了射電“大望遠

鏡”中國推進委員會，提出了利用中國貴州喀斯特洼地，建造球反射面即Arecibo

天線陣的喀斯特工程概念，中國科學家為進一步推進喀斯特概念，提出獨立研制一

臺新型的喀斯特單元，這為500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)的建設做好了鋪墊。

2.3 第三個發展時期

21世紀至今進入新世紀，中國射電天文學開始突飛猛進地發展，迎來了射電望遠

鏡發展的黃金時期，在十幾年的時間內，中國建設完成或正在籌建一批大型射電望

遠鏡，包括密云50米射電望遠鏡、昆明40米射電望遠鏡、上海65米天馬望遠

鏡、世界上最大的500米單口徑球面射電望遠鏡(FAST)以及正在籌建的110米口

徑全可動射電望遠鏡(QTT)等，在這一時期，還在新疆烏拉斯臺建設完成了21米

天線陣，并加入了國際最重要的大型射電望遠鏡平方千米陣(Square Kilometer

Array， SKA)建設項目。

1996年密云綜合孔徑射電望遠鏡巡天任務完成后，主要基于脈沖星觀測研究與中

國探月工程的需要，國家天文臺計劃在北京密云觀測站建設一個50米的射電望遠

鏡，該射電望遠鏡于2002年10月開始建設，2006年4月完成。在中國探月工

程的催發下，昆明建設了40 米射電望遠鏡，該望遠鏡2005年8月開工興建，

2006年5月建成投入運行，該望遠鏡的主要任務是接收嫦娥衛星下行的科學數據

并參與完成繞月衛星的精密測軌，同時也開展脈沖星觀測研究。隨著2006年北京

密云50米和云南昆明40米射電望遠鏡的建成，加上上海佘山25米、烏魯木齊

南山25米兩臺射電望遠鏡，連同上海數據相關處理中心一起構建了中國的VLBI

網，該VLBI網參與完成了我國嫦娥工程一期的VLBI測軌工作。

上海65米天馬望遠鏡從2008年10月立項到2012年10月建設完成，歷時僅四

年，該射電望遠鏡是目前國內乃至亞洲最大、國際前四的全方位可動的大型射電望

遠鏡系統。上海天馬望遠鏡的建成標志著我國實現了建設世界級大型射電望遠鏡的

目標。上海天馬望遠鏡擁有國內最全的觀測波段，工作波長從最長21厘米到最短

7毫米，涵蓋了開展射電天文觀測的全部厘米波段，同時，是國內首個能夠在

43GHz頻段上開展觀測研究的射電望遠鏡。上海天馬望遠鏡憑借其高性能與寬波

段等優勢將在分子譜線、脈沖星、活動星系核觀測研究等方面發揮重要作用。上海

天馬望遠鏡配備有高效的VLBI數據采集系統與高精度的時頻系統，它將大大提高

中國VLBI網的靈敏度，提升我國深空探測的定軌能力[10]。

500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)臺址選在了貴州省黔南州，2005年，啟動了

“巨型射電望遠鏡的新模式”，開始密云30米縮尺模型建設，2007年正式立項，

2011年3月開工建設，2016年7月，主體工程完工， 9月竣工，目前是世界上

口徑最大的球面射電望遠鏡。FAST工程的靈敏度和綜合性能分別比德國波恩100

米望遠鏡、美國Arecibo 300米望遠鏡提高約10倍，作為世界上最大的單口徑射

電望遠鏡，將在未來二三十年保持世界一流設備的地位。FAST的觀測研究范圍從

宇宙初始混濁、大尺度結構、暗物質與暗能量、引力波、星系演化、類星體到太陽

系行星與近鄰空間事件等，其研究具有重大的科學意義[11]。FAST的影響不僅局

限在科學研究方面，在它的催生下，黔南州成立了國內第一個天文局，并在黔南民

族師范學院開辦了貴州省第一個天文學本科專業班，為黔南地區培養FAST天文教

學與科普人才。另外，FAST工程建設與科學研究已經升華為一種貴州天文精神，

影響深遠。

在這個時期，中國在新疆烏拉斯臺山谷還開展了21CMA項目的建設，21CMA由

東西、南北兩條長度分別約6公里和4公里的正交基線組成，在東西和南北兩條

基線上分別分布著41和40個天線陣，共計布設天線10287只。21CMA項目

2006年建設完成，目前，通過21CMA觀測，已經獲得了高質量的天圖。

21CMA是世界上最早開展搜尋“宇宙第一縷曙光”的唯一大型射電望遠鏡陣列，

為探測宇宙黑暗時期和宇宙再電離做出獨特的貢獻。目前，國際天文界已經開始籌

建下一代射電望遠鏡陣列SKA，SKA工程是由包括中國在內的數十個國家共同合

作建設的以多個單天線組成的龐大望遠鏡陣列，計劃于2020年左右建成，屆時，

它將揭示眾多天文現象的本質，巨大提高人類在射電波段認識宇宙的能力[12]。除

此之外，新疆天文臺正在籌建110米射電望遠鏡，建成后，將成為國內最大的全

可動射電望遠鏡[13]。

從中國射電望遠鏡的發展歷程來看，有以下三個比較明顯的特點：其一,單架射電

望遠鏡的口徑越做越大，目前FAST工程口徑已到達到了500米，未來全可動射

電望遠鏡口徑將會進一步增大，例如，未來將建成新疆110米射電望遠鏡；其二，

單架望遠鏡的觀測波段數越來越多，目前，上海天馬望遠鏡觀測波段已經達到8

個；其三，射電望遠鏡及其陣列的靈敏度越來越高，目前FAST工程靈敏度在L波

段已經達到2000m2/K。21世紀的天文學有一系列亟待解決的重大科學難題，如

宇宙起源和演化、暗物質暗能量與大尺度結構、黑洞和致密天體、引力波、太空生

命起源與地外文明等，這些問題的揭示將使人類對物質世界的認識發生重大的變革。

要想揭示這些難題，需要觀測能力的提升，這就促進大型射電望遠鏡的快速發展

[14]。未來的射電望遠鏡將具有多觀測波段、高分辨率、高靈敏度、科學目標針對

性強等特點。未來的射電望遠鏡將與新技術方法結合，不斷提高觀測性能。另外，

隨著大型單口徑射電望遠鏡的建設與使用，射電望遠鏡陣列包括毫米/亞毫米波陣、

空間VLBI，將成為未來發展的一個大趨勢[15]。

科學研究是為了更好的認識物質世界和人類自我，對宇宙終極問題的思考和研究將

促使人類不斷追求更高、更好的科學認知方法和技術，射電天文科學研究與技術也

將在人類對未知的探索過程中不斷發展和完善。

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