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英国赖尔发明综合孔径射电望远镜,使射电望远镜实现成像观测,分辨率也能与光学望远镜并驾齐驱。发达国家凭借强大的经济实力和高技术,陆续发展了综合口径技术,研制更为强大的综合口径射电望远镜。由于射电望远镜的分辨率与工作频率成正比,高频观测容易获得比较高的分辨率,对于相同口径的天线,波长为1米时的分辨率比波长为1厘米时的分辨率要差100倍。尽管波长短时,天线和接收机的技术要难得多。这些也导致天文强国在发展综合口径射电望远镜时对低频段的忽略。
天体辐射频谱很宽,但少了哪一段的信息都不能全面地认识它们的特性和演化特征。特别是在米波和分米波波段有许多突出的天体物理课题尚待研究。20世纪60年代,我国北京天文台就开始策划研制米波段的多天线干涉仪和综合口径射电望远镜。印度则在20世纪90年代开始建造,并在1994年建成巨型米波射电望远镜,在米波段的灵敏度超过了美国的甚大阵。
我国密云综合孔径射电望远镜
我国射电天文学起步很晚,可以说是1958年4月中、苏联合在海南岛进行日环食的观测起步,从研究太阳射电开始的。到了1966年,我国射电天文学的先驱王绶院士开始考虑如何开展宇宙射电的观测研究。太阳系外的射电源离我们非常遥远,要求有比较大的射电望远镜。而当时受我国国民经济发展的制约,要建立大的射电望远镜还是有相当大的难度的。王院士就把注意力集中到发展米波综合孔径上,从1966年开始相继提出有关在密云建立射电干涉仪和米波综合孔径射电望远镜总体及技术方案报告多篇。米波是当时射电成像观测被忽略的一个波段,特别是232MHz频段当时在国际上还是个空白。

我国米波综合孔径射电望远镜,经历了从16面天线的干涉仪,16面天线+12面天线的复合干涉仪系统,最后完成28面天线组成的综合孔径射电望远镜的过程。1967年由16面口径6米天线组成的天线阵已经完成安装,由于文化大革命十年浩劫,望远镜研制中断了好多年。1983年末,北京天文台的射电天文学家经历了10多年的努力,终于完成了射电望远镜的安装、测试。经过10个月的试观测,证明了它的各项技术指标达到设计要求,从此中国终于有了比较大型的射电望远镜。
密云综合孔径射电望远镜由28面口径为9米的网状天线组成,其中16面天线是由原来的6米口径扩展而成。在四面环山的密云水库岸边,东西方向一字排开,总长1160米,这里,东西方向地势平坦,足能把基线延长到10千米,为以后的发展打下了坚实的基础。工作频率为232和327MHz。在232MHz上的分辨率约4′。由于我们采用足够多的28面天线,已经给出各种不同的天线间距,无需移动天线,成像的工作效率很高,两天的观测就可以获得一张观测天区的射电源分布图。这是我们的望远镜的最大优点。9米的天线不大,但带来的好处是视场比较大,约为10°。适合于进行全天巡天或银道面巡天,普查和发现射电源。在当时,国际上各个射电望远镜发现的射电源只有3万多个,实在是太少。无法与光学望远镜照相观测所记录下天体数目相比,进一步巡天以发现更多的射电源成为当务之急。
米波综合孔径射电望远镜投入观测以来,用了大量时间在232MHz频率上对北天赤纬30度以上天区进行系统地巡天工作,记录下万余射电源,从中发现了一批新射电源,并成功地对一批射电变源、超新星遗迹、星系和星系团进行观测研究,取得丰硕的观测结果。
在国际上,加拿大Dominion射电天体物理台的综合孔径射电望远镜也是由口径9米的天线组成,最初是4面天线,后来发展为7面天线,其中3面天线可以在铁轨上移动,可以在2个频段上(408MHz和1420MHz)同时观测。我们的望远镜与加拿大的这台射电望远镜的性能差不多,在波段上彼此补充,加在一起有232、327、408和1420MHz四个频段。笔者曾到Dominion射电天体物理台访问, 后来和北京天文台张喜镇教授一起,与加拿大同行合作,利用这两台射电望远镜对几个超新星遗迹进行多频观测和资料分析,发表了一组论文。
印度巨型米波综合孔径射电望远镜(GMRT)

印度巨型米波射电望远镜(GMRT)是当今灵敏度最高的综合孔径射电望远镜,1994年建成,位于德干高原上的普纳市以北80千米。望远镜处在赤道附近,既可以观测北天的天体,也可以观测南天的天体,只有少数极区的天体观测不到。这里的电磁干扰很小,非常适宜米波的射电观测。这些均成为GMRT巨大的优势。
GMRT由30台可操纵的直径为45米的抛物面天线组成。30面天线中的14面集中在大约1平方千米的范围内,它们的分布或多或少有些随机。其它16面天线沿3个臂分布,形成Y形。最大的干涉基线是25千米,对435个可能的天线对的干涉信号进行相关处理就可以获得一张所观测天区的射电源图像。相当于一个直径为25千米的单个天线所获得的分辨率。
设计上最大的突破是天线的设计和制造。按照常规,研制30台45米口径能工作在21厘米波段的可操纵抛物面天线的耗资,是印度无法承受的,但是印度的科学家和工程师却设计出又轻巧又便宜的大天线,使得建造这个射电望远镜成为可能。45米直径的大天线的结构的质量,与常规设计的22米直径的天线相当。
GMRT总接收面积比美国甚大阵大3倍。由于天线效率高和频带足够宽,致使在327MHz频段上的灵敏度要比甚大阵高出8倍,成为世界上最大的米波综合孔径射电望远镜。
它的工作频率为38MHz到1420MHz范围中的6个频段,即50, 153, 233, 325, 610 和1420 MHz,双偏振,并能进行双频同时观测。在最低频率处最高分辨率60角秒,在1.4GHz为2角秒。天线是网状的,造价便宜得多。
印度GMRT可以观测从太阳系到可观测的宇宙的边缘广阔空间中的射电源。最吸引人的观测课题是检测高红移的中性氢谱线。根据大爆炸宇宙学的理论,在中性氢云浓缩为星系以前具有非常大的红移(z=3~10),波长为21厘米的谱线已经红移到米波段,即从1420MHz红移到350MHz~130MHz频率。这是大爆炸宇宙学理论的预言,如果能检测到具有非常大的红移的中性氢谱线,无疑是一件震惊世界的成果。由于中性氢谱线的强度特别微弱,只有灵敏度非常高的射电望远镜才有可能检测到。GMRT所具有的高分辨率、高灵敏度性能,使它具备观测遥远天体的能力,因此是观测研究银河系之外的射电星系、类星体、微类星体等射电源的强有力设备。