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威力最強的美國基大陣綜合孔徑射電望遠鏡
（2005年09月10日 11:46）
來源︰《太空探索》
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□作者: 吳鑫基
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自卡爾•央斯基偶然發現了來自銀河系的射電輻射，雷伯建造了世界上第一台天文射電望遠鏡，美國就成為射電天文學的發源地。到了20世紀50年代中期，國際上形成了幾個射電天文中心，以英國的實力最強︰劍橋大學發展大型射電干涉儀，繼而孕育綜合孔徑射電望遠鏡方案；曼徹斯特大學建造了世界上口徑最大的76米可跟蹤射電望遠鏡。而此時的美國逐漸落在了其它國家的後面。為了重新奪回射電天文學的領先地位。在20世紀60年代初，他們開始構想建造甚大陣，分辨率要達到1角秒，靈敏度則要達到0.1毫央斯基，目的就是要超過英國劍橋大學的綜合孔徑射電望遠鏡。從構思到實現花了20年，終于在1980年向世人推出世界上最強大的綜合孔徑射電望遠鏡——VLA。
威力強大的甚大陣
甚大陣的設計原則是按照英國賴爾提出的原理，但是從靈敏度、分辨率、成像速度和頻率覆蓋四個方面全面超過英國賴爾綜合孔徑射電望遠鏡。
甚大陣從1961年開始籌劃、設計，經過20年的努力，終于在新墨西哥州的一個荒原上出現了一個巨大的天線陣，它相當于一個中等城市，巍巍壯觀。望遠鏡由27面直徑25米的可移動的拋物面天線組成，分別安置在三個鋪有鐵軌的臂上，呈Y形。2個臂長是21千米，另一個臂長為20千米。每個臂上放置9面天線。工作波段最短可達到0.7厘米，因此天線拋物面的精度非常高。最高分辨角為0.05角秒，已經優于地面上的大型光學望遠鏡了。甚大陣望遠鏡進行觀測是依靠自動化系統來控制和管理的。
望遠鏡的靈敏度由總接收面積決定，甚大陣的27面25米的天線，總接收面積達到5萬3千平方米，相當于口徑為130米的單天線。 因此甚大陣的靈敏度比賴爾望遠鏡高出12.5倍。就空間分辨率來說，甚大陣的最大基線是36千米，比賴爾望遠鏡大7倍多，在相同的波段上的分辨率要提高7倍，由于最短工作波長可達0.7厘米，因此甚大陣的最高分辨率要比賴爾望遠鏡高20倍，達到0.05角秒。相當于在150千米外看清楚一個高爾夫球。賴爾望遠鏡的8面天線是東西方向一字排開，利用地球自轉，需要對一個目標觀測12小時，才能移動天線以獲得另一種天線間距的觀測。而甚大陣采用Y形排列，可以獲得小于8小時的快速成像。
甚大陣的天線和接收機
甚大陣是在1973年4月開始興建的，1975年9月第一個天線到位，1980 年甚大陣全部完成並投入使用，比原計劃提前1年。在1977∼1978年，科學家們已經用建成的部分天線取得了很好的觀測成果。。
甚大陣的每個天線的直徑為25米，重230噸。在使用時有4種陣形︰ A陣，天線分離最大，36千米；B陣，天線分離3.6千米； C陣，天線分離1千米。望遠鏡每4個月換一次陣形。以適應不同的觀測課題。天線的運轉和控制快速而靈活。方位角每分鐘可移動40度；仰角每分鐘20度。地平8度以上的天體均可進行觀測。
甚大陣的頻率覆蓋很寬，從74MHz到50GHz（約為400∼0.7cm）。因此饋源和接收機系統就比較復雜。在低頻段，可實現4個頻段的同時觀測，較高的頻段則分為P、L、C、X、U、K、Q七個頻段。各頻段的視場、分辨率和系統的噪聲溫度如上表所示︰
擴展的甚大陣（EVLA）
為了進一步提高甚大陣的威力，美國射電天文學家要在現有的基礎上（27面25米天線）加以擴建，取名為EVLA。在離現在的甚大陣250千米遠增加8個新的觀測站。這將使現在的設備的科學能力大大提高，使所有的觀測參數品質提高10倍。
在頻率5GHz以下靈敏度提高5倍，在10∼50GHz靈敏度要提高20倍。頻率範圍在1∼50GHz，但是可以延展到300MHz。頻率分辨率很強，具有262144個頻率通道可提供靈活、可變化的頻率分辨率1MHz和1Hz。最大的空間分辨率從0.004角秒（50GHz）到0.2角秒（1GHz），這個分辨率已經達到了一般的甚長基線干涉（VLBI）的高分辨率了。
成就卓著
甚大陣在1980年建成後使射電觀測能力極大地增強。它的分辨率和靈敏度都比劍橋大學綜合孔徑射電望遠鏡的情況提高了一個數量級，看得更遠，分辨得更清楚。20年來，來自世界各國天文研究院、所的2200多位學者使用甚大陣進行了1萬多個課題的觀測。這些課題幾乎涉及天文學研究的全部領域，無所不包，從行星學科到宇宙論。當然，最具威力的是對遙遠而微弱的天體的分辨和成像觀測。
在金牛座中，有一個名為LDN1551的由氣體和塵埃組成的巨大的分子雲。在那里類似太陽大小或更小一些的恆星不斷地誕生，成為年輕恆星集聚的地方，引起天文學家的關注。甚大陣對準一個以前的紅外和射電觀測都認為是單個的恆星，出人意料的發現這個天體並不是一個單個的年輕恆星，而是一對年輕的雙星。（尺度棒代表20天文單位的距離）甚大陣超群的分辨率把這個相距很近的雙星分辨得很清楚，而且，還把圍繞恆星的由塵埃組成的軌道盤狀物清楚地顯現出來。這個離我們450光年遠的雙星的線間距只有太陽到冥王星的距離，其角徑非常之小，要不是甚大陣超強的分辨率，是不可能分辨出的。
噴流現象是天文學家觀測到的宇宙中最奇特的現象之一。甚大陣的高分辨率觀測給出一批射電源的噴流資料。射電源3C449是一個巨橢圓星系，甚大陣展示出了它的“核－雙噴流－雙展源”結構。兩個分離的展源稱為射電源的瓣，兩個瓣之間有一個致密源為星系核，星系核的兩邊有兩個準直性很強的射電輻射束，稱為噴流，一直射到兩個瓣。噴流是能量從核傳輸到外面的射電展源（瓣）的通道，而光學觀測到的噴流尺度只有射電的1/10。
1994年發現的微類星體是甚大陣在建立以來最有價值的成果之一。微類星體被認為是由中子星或黑洞組成的雙星系統，發射X射線，只有幾個太陽質量。它與有著巨大質量的星系核或類星體有著共同的現象，如極端的能量和噴流。甚大陣給世人展示一個生動的產生雙源的爆發過程。左下圖最上面圖像是第一次觀測結果，其核心是X射線源，天文學家推測是由黑洞和一個伴星組成的雙星系統。在幾天以後，一個巨大的噴射事件產生了兩個分別向左右移動的致密體，第二個圖中的十字符號是固定源的位置。圖的右邊標出觀測的日期，從3月18日到4月16日近一個月，這兩個致密源的分離超過了1萬個天文單位。兩個致密源真實的速度為0.92倍光速。黑洞的引力把持正常恆星在一個緊密的軌道上，從伴星來的氣體被傳輸或吸積到黑洞，產生百萬度的高溫，從而輻射X射線。
甚大陣綜合孔徑射電望遠鏡已經在天文觀測上奠定了自己輝煌的地位，向人們展示了宇宙演化中多姿多彩的場景。在天文學家的眼中，它無疑還會是今後一段時間內的寵兒。
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文章作者:吳鑫基
責任編輯:skylook
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文章評論(1):
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強！
（2006年04月26日 23:13 - 游客）
期待中國的EVLA。。。。。
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