探索宇宙奧秘的“巨眼”——長白山40米口徑射電望遠(yuǎn)鏡

2024年8月27日下午，中國科學(xué)院攜手中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院聯(lián)合研制的長白山40米口徑射電望遠(yuǎn)鏡項目，在吉林省長白山已經(jīng)順利完成了天線系統(tǒng)的主反射體吊裝。與這一望遠(yuǎn)鏡同時在建的還有西藏日喀則的一臺40米口徑射電望遠(yuǎn)鏡，它們將成為橫跨東西的兩只“巨眼”，在我國的探月工程以及深空探測任務(wù)中發(fā)揮重要作用。

星際偵探：射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展與現(xiàn)狀

射電望遠(yuǎn)鏡是一種專門用來接收天體在射電波段發(fā)出的輻射的天文儀器，能夠?qū)μ祗w的射電輻射的強(qiáng)度、頻譜以及偏振等參數(shù)進(jìn)行測量，是捕捉宇宙中電磁波信息的重要工具。20世紀(jì)30年代初，美國著名無線電工程師與天文學(xué)家卡爾·央斯基研制了一臺由天線和接收機(jī)組成的設(shè)備，并用其發(fā)現(xiàn)了銀河系中心的射電輻射，標(biāo)志著射電天文學(xué)的誕生。這臺外形酷似“旋轉(zhuǎn)木馬”的設(shè)備，也被稱為“旋轉(zhuǎn)木馬”射電望遠(yuǎn)鏡。除了射電天文觀測之外，有不少大型射電望遠(yuǎn)鏡還應(yīng)用于深空探測領(lǐng)域。

天線是射電望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵部件，它能夠有效地捕捉那些微弱的射電信號，并將其轉(zhuǎn)化為可測量的電信號。具體來說，就是當(dāng)來自星星或其他天體的射電波到達(dá)望遠(yuǎn)鏡時，電波被主反射面接收，反射到副面，副面再次反射并匯集到饋源（望遠(yuǎn)鏡用來接收宇宙外來信號的裝置系統(tǒng)），電波的能量即轉(zhuǎn)換為電信號。然后這些電信號被專門的接收設(shè)備進(jìn)行放大和處理，最終轉(zhuǎn)化為可供天文學(xué)家研究的數(shù)據(jù)。

射電望遠(yuǎn)鏡反射面板及饋源的位置示意圖

根據(jù)不同的觀測目標(biāo)和工作頻段的需要，大型射電望遠(yuǎn)鏡的天線具有各種不同的形式，主要有旋轉(zhuǎn)拋物面天線、拋物柱面天線和球面天線等。

旋轉(zhuǎn)拋物面射電望遠(yuǎn)鏡匯聚信號的基本原理與汽車車燈裝置類似，都是利用了拋物面能將平行光匯聚到一點(diǎn)的幾何特性。旋轉(zhuǎn)拋物面天線可以獲得較高的天線效率和接近全天區(qū)的空間觀測范圍，因此是大型全可動射電望遠(yuǎn)鏡中應(yīng)用最多的形式。但是，由于在進(jìn)行跟蹤觀測時需要整個天線都隨著目標(biāo)源轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)拋物面射電望遠(yuǎn)鏡的最大口徑受到了工程極限的限制，目前仍局限在百米量級。

旋轉(zhuǎn)拋物面天線：日喀則40米射電望遠(yuǎn)鏡

球面天線則突破了這種技術(shù)限制，它具有良好的對稱性，可以固定不動，從而實(shí)現(xiàn)了更大口徑射電望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)。它的缺點(diǎn)是不能將平行光聚到一點(diǎn)，需要進(jìn)行相差的二次修正。

球面天線：500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST

拋物柱面天線效率較低，一般應(yīng)用于低頻或特殊需求的場合，例如天籟項目中用于暗能量射電探測的陣列就是用的拋物柱面天線。

拋物柱面天線：IPS望遠(yuǎn)鏡主站

靈敏度和角分辨率是射電望遠(yuǎn)鏡性能的兩項重要指標(biāo)，它們都與射電望遠(yuǎn)鏡的口徑有關(guān)，口徑越大，靈敏度越高，角分辨率也越高。因此，盡可能提高射電望遠(yuǎn)鏡的口徑一直是天文學(xué)家孜孜不倦的追求。最早的雷伯射電望遠(yuǎn)鏡口徑才不到10米，而今世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡是中國貴州的FAST，其口徑達(dá)到了500米。

20世紀(jì)60年代，高穩(wěn)定原子頻標(biāo)技術(shù)和高速磁記錄技術(shù)不斷發(fā)展，射電天文學(xué)家在傳統(tǒng)的連線干涉儀基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了以“獨(dú)立本振”和“磁介質(zhì)記錄”為特點(diǎn)的VLBI技術(shù)。此后，美國、歐洲、日本、澳大利亞等地的VLBI網(wǎng)相繼投入使用。

VLBI，又叫甚長基線干涉測量，是當(dāng)前天文學(xué)使用的一項高分辨率、高測量精度的觀測技術(shù)。VLBI的原理就是把相距幾千、上萬公里的射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合起來同時觀測同一個目標(biāo)源并組合成一臺巨大望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)。望遠(yuǎn)鏡之間的距離，也就是基線越長，這個“虛擬望遠(yuǎn)鏡”的“等效口徑”就越大，其觀測靈敏度和空間分辨率也越高。

全球最大綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡-平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡示意圖

中國VLBI網(wǎng)于2007年在探月工程支持下建立。中國科學(xué)院上海天文臺基于射電天文領(lǐng)域的基于在射電天文領(lǐng)域的深厚積累，首次將實(shí)時VLBI技術(shù)應(yīng)用于嫦娥一號任務(wù)，組織中國科學(xué)院所屬天文臺的優(yōu)勢力量，建成由“四站一中心”組成的中國VLBI網(wǎng)，構(gòu)建了測控系統(tǒng)VLBI測軌分系統(tǒng)。

森林巨眼：長白山40米射電望遠(yuǎn)鏡的奧秘與使命

隨著中國VLBI技術(shù)的發(fā)展，為了應(yīng)對多個月球與深空探測器的觀測需求，中國科學(xué)院于2023年9月和10月分別啟動了日喀則和長白山的40米口徑射電望遠(yuǎn)鏡項目建設(shè)。

長白山冬季空氣干燥，晴天數(shù)多，尤其適合望遠(yuǎn)鏡開展高頻段觀測。經(jīng)過地質(zhì)勘查，長白山馬鞍山林場的地質(zhì)條件優(yōu)越，能夠滿足40米射電望遠(yuǎn)鏡樁基承載要求。最終，長白山40米口徑射電望遠(yuǎn)鏡，落戶于吉林省長白山保護(hù)開發(fā)區(qū)池西區(qū)管委會馬鞍山林場。

相對于上海天馬望遠(yuǎn)鏡的經(jīng)度位置，長白山40米射電望遠(yuǎn)鏡更靠近中國版圖東側(cè)，比天馬望遠(yuǎn)鏡向東增加6.6度，將比天馬望遠(yuǎn)鏡早26分鐘捕獲到深空目標(biāo)。

長白山40米口徑射電望遠(yuǎn)鏡的天線系統(tǒng)采用全實(shí)面面板，單塊面板精度優(yōu)于80微米，主反射體面型精度優(yōu)于0.3毫米；最高指向精度優(yōu)于5角秒；采用整體保溫技術(shù)，主反射體背架用保溫材料包裹，確保望遠(yuǎn)鏡在東北的嚴(yán)寒環(huán)境中正常運(yùn)行。

建成后的長白山40米射電望遠(yuǎn)鏡將是一臺集全實(shí)面、全可動、高精度、多用途于一體的射電望遠(yuǎn)鏡。該望遠(yuǎn)鏡將裝備7個波段的高靈敏度制冷接收機(jī)，覆蓋從700MHz至50GHz的連續(xù)頻譜，并支持雙頻段同步觀測，更預(yù)留了升級至86GHz觀測的潛力。

上海65米口徑天馬望遠(yuǎn)鏡、上海25米口徑佘山望遠(yuǎn)鏡、云南昆明40米口徑望遠(yuǎn)鏡和烏魯木齊南山25米口徑望遠(yuǎn)鏡組成VLBI網(wǎng)

至此，日喀則和長白山這兩臺望遠(yuǎn)鏡的加入，中國VLBI網(wǎng)將由“四站一中心”升級為“六站一中心”，最長基線即“等小口徑”將超過原有上海和烏魯木齊之間約3200公里，拓展到約3800公里，最大角分辨率也提升18%。在不久的將來，兩臺望遠(yuǎn)鏡將共同助力中國VLBI網(wǎng)具備“雙子網(wǎng)、雙目標(biāo)”能力，提升中國射電天文科學(xué)研究能力，推動中國在超大質(zhì)量黑洞、致密天體快速時變及引力波電磁對應(yīng)體、銀河系動力學(xué)研究、高精度天地一體化參考架等一系列天文學(xué)前沿領(lǐng)域的研究中取得更多創(chuàng)新性成果。

部分信息來源于光明網(wǎng)、中國新聞網(wǎng)、中國青年報、中國科學(xué)院等

（科學(xué)性審核：劉慶會，射電天文科學(xué)與技術(shù)研究室副主任）

責(zé)任編輯：王磊