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荷蘭和澳大利亞的綜合孔徑射電望遠鏡
(2005年08月25日 10:01)
來源︰《太空探索》
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□作者: 吳鑫基
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自從賴爾發明綜合孔徑射電望遠鏡以後,射電望遠鏡的分辨率和成像觀測能力逐漸接近甚至超過光學望遠鏡。在這之後,綜合孔徑射電望遠鏡風靡全世界,至今仍具強勁的發展勢頭。跟得最快的要數荷蘭的射電天文學家。在英國1964年開始啟用等效直徑1.6千米綜合孔徑射電望遠鏡的2年後,荷蘭天文學家就動工興建他們的綜合孔徑射電望遠鏡,使用的天線孔徑和數目都超過英國劍橋大學的5千米綜合孔徑射電望遠鏡,而且還早英國劍橋2年于1970年投入使用。澳大利亞發展綜合孔徑技術比較晚,1988年才建成綜合孔徑射電望遠鏡,但是其重要性卻非同尋常,成為南半球分辨率和靈敏度最高的成像射電望遠鏡,管了半邊天,是北半球許多大型射電望遠鏡所不能替代的,成為國際上最重要的射電天文觀測設備之一。
荷蘭綜合孔徑射電望遠鏡(WSRT)
荷蘭的射電天文學起步比較早,在第二次世界大戰結束以後,利用德國人的軍用雷達就建造了第一台射電望遠鏡。在賴爾發明綜合孔徑射電望遠鏡後不久,1966年就開始建造Westerbork綜合孔徑射電望遠鏡,簡稱WSRT。1970年7月建成啟用。接收面積比劍橋綜合孔徑望遠鏡要大,靈敏度要高出6.5倍,成為當時靈敏度最高的綜合孔徑射電望遠鏡。後來美國的甚大陣(VLA)問世後,WSRT才退居次位。當然,1970年建成時的規模和功能都不如現在。在1975∼1980年期間,進行了大規模的改進才變成今天的樣子。
WSRT由14面直徑為25米拋物面天線組成,東西向排列在2700千米的基線上。這些天線都可以在觀測室進行操縱,令其指向天空中任一方向。十面天線固定,4面天線可以在鐵軌上移動。前置放大系統安置在每個天線的焦點處,采用液態氦制冷,溫度為15K,即攝氏零下258 度。14面天線接收到的天體信號經前置放大後用同軸電纜輸送到觀測控制室。觀測控制室有很好的視野,很容易監視天線的運轉情況。
中頻放大系統的頻帶寬度可達160MHz。觀測頻率範圍從250MHz到8700MHz, 8個分離的饋源系統覆蓋這個頻率範圍。可以在1分鐘內很快地將14面天線的饋源進行更換。可以用單一波段進行觀測,也可以2或3個波段同時觀測。根據綜合孔徑射電望遠鏡的原理,把10面天線放置在鐵軌上,目的為了進行不同間距情況的多次觀測。每觀測12小時後,移動天線放到預先計算好的位置上再觀測12小時,爾後再移動位置,直到獲得所需要的各種不同的天線間距的測量。計算機處理資料後便得到一幅觀測天區的射電圖。
綜合孔徑射電望遠鏡的最大優點是成像觀測,但是對有些射電點源,如直徑才20千米的脈沖星,則不可能成像,只能對它們的信號進行周期分析。因此對脈沖星的觀測只追求靈敏度和時間分辨率。荷蘭WSRT的14面25米直徑的天線總接收面積相當于一面直徑93米的大天線,僅次于德國埃費爾斯貝格和美國格林班克的100米直徑的射電望遠鏡天線。把14面天線接收到的天體信息采用同相相加的方法就可以把它們當作一面大天線來使用,成為觀測脈沖星的強有力的觀測設備。還可以對射電源進行偏振觀測。利用互相關方法進行譜線觀測。荷蘭綜合孔徑射電望遠鏡還可以與歐洲的射電望遠鏡組合起來形成分辨率和靈敏度更高的射電望遠鏡。
WSRT能進行的觀測研究課題非常豐富,涉及射電天文學的各個方面,包括巡天發現新射電源,對已發現的遙遠的星系、致密天體脈沖星、中性氫和電離氫雲等進行詳細的觀測研究。
澳大利亞綜合孔徑射電望遠鏡(ATCA)
早期的澳大利亞射電天文學處于國際先鋒的角色,但是到了20世紀80年代,綜合孔徑和VLBI(甚長基線干涉測量技術)蓬勃發展,單天線已經不能獨霸天下了。澳大利亞的射電天文觀測設備開始落後了。再次崛起要靠研制更先進的射電望遠鏡。1983年聯邦政府撥款研制澳大利亞望遠鏡,即澳綜合孔徑射電望遠鏡,作為慶祝澳大利亞建國200周年獻禮項目之一。1984年開始興建,1988年如期完成並投入使用。全名為Australia Telescope Compact Array,簡稱ATCA。總共耗資5千萬澳元。
Narrabri射電天文台的ATCA,由6面直徑22米的天線組成,東西向一字排開,基線全長6千米。相當于一面直徑為6千米天線的射電望遠鏡的分辨率。6面天線中,一面天線固定,其它5面放置在鐵軌上,可以按照要求移動到預定的位置上,以取得不同的天線間距情況下的觀測數據。要獲得一張優質的射電源圖像需要觀測3∼4次,每次12小時。
天線獲得的天體信息由光縴送到主控制室的接收系統,由特殊的計算機構成的相關器來處理這些數據。每個天線配備4根光縴,共24根光縴,總長160千米。光縴所傳輸的天體信息就像暴風雨般,以每秒2.5百億比特的速度傳輸數據。光縴還兼有發出控制天線和接收機信息、以及進行實時觀測的功能。
22米直徑的單天線具有比較大的視場,有利于獲得或拼接大天區範圍的射電源分布圖。工作頻率在1.4∼10GHz之間的4個頻段上。天線表面的中間部分加工精度最高,可以工作到115GHz上,也就是短毫米波段,可以獲得世界上最好的射電源短毫米波上的圖像。
現今的大型綜合孔徑射電望遠鏡都在北半球,ATCA是南半球靈敏度和分辨率最高的綜合孔徑射電望遠鏡。雖然它的功能不及美國的VLA,但是它能觀測VLA觀測不到的高南緯的射電源,成為國際上最重要的綜合孔徑射電望遠鏡之一。大小麥哲倫雲是離銀河系最近的兩個星系。天文學家期望能詳盡的研究它們。由于這兩個星系處在南天,成為澳大利亞望遠鏡觀測最好的目標之一。
這六面天線還可以與其它兩面天線組合一個射電望遠鏡系統,一面天線在幾千米以外的Coonabarabran附近,一面則在幾百千米以外的Parkes。整個系統可以獲得近似于一面320千米直徑的大天線的分辨率。筆者有幸于2000年8月在澳著名學者Manchester的陪同下先後參觀訪問射電天文台,留下了深刻的印象。 |
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文章作者:吳鑫基
責任編輯:skylook
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