什么望远镜能够观测星际物体？
2024-11-19 阅读 85
更新于 2024年11月21日
一、射电望远镜的前世今生
射电望远镜自诞生以来，不断发展壮大。1931 年，央斯基发现银河系中的射电辐射，标志着射电天文学的诞生。此后，各国不断建造更大口径、更先进的射电望远镜。
（一）发展历程中的重要里程碑
从央斯基的 “旋转木马” 射电望远镜，到英国的 Lovell 76m 全可动抛物面射电望远镜，再到如今的中国 FAST，射电望远镜的发展历程充满了创新与突破。
央斯基的 “旋转木马” 射电望远镜开启了射电天文学的新纪元，其独特的设计为后来的研究奠定了基础。1957 年英国建造的 Lovell 76m 全可动抛物面射电望远镜在当时引起了轰动，它的出现标志着射电望远镜在口径和可动性方面取得了重大进展。此后，各国纷纷投入到射电望远镜的建设中。
20 世纪 60 年代，射电天文学取得了重大突破，众多著名的射电望远镜相继建成。例如，美国国立射电天文台的 42.7m 射电望远镜和 91m 射电望远镜，以及澳大利亚的 Parkes 64m 射电望远镜等。这些望远镜在观测天体射电信号方面发挥了重要作用，为人类对宇宙的认识提供了丰富的数据。
进入 21 世纪，中国的 FAST 成为了世界瞩目的焦点。FAST 的建成标志着中国在射电天文学领域取得了重大突破，其 500 米口径的巨大规模使其成为世界上最大的单口径射电望远镜。FAST 的建设不仅体现了中国在科技领域的实力，也为全球天文学研究提供了强大的工具。
（二）世界著名射电望远镜盘点
包括美国的阿雷西博射电望远镜、德国的埃菲尔斯伯格射电望远镜、澳大利亚的帕克斯射电望远镜等，以及中国的天马射电望远镜、奇台望远镜和 FAST 等，这些著名的射电望远镜在天文学研究中发挥着重要作用。
美国的阿雷西博射电望远镜曾是世界上最大的单口径球面射电望远镜，其反射面口径为 350 米。它在天文学研究中发挥了重要作用，曾出现在 “007” 系列电影中。然而，不幸的是，该望远镜在去年已经退役。德国的埃菲尔斯伯格射电望远镜是世界上最大的全可动射电望远镜之一，其抛物面直径 100 米。它在射电星系、活动星系核、星际分子等方面的观测中收获颇丰。澳大利亚的帕克斯射电望远镜是南半球第二大望远镜，也是世界上最早的大型活动碟式望远镜之一。它曾用于接收 “阿波罗 11 号” 登月直播电视图像，科学贡献巨大。
中国的天马射电望远镜是国内领先、亚洲最大、国际先进的 65 米口径全方位可动的大型射电天文望远镜系统。它在天文及航天领域中有众多基础科学研究及应用，对未来 10 年的射电天文带来新的观测能力。奇台望远镜计划在 2023 年 12 月完成主体工程建设任务，建成后将成为世界最大口径全向可动射电望远镜，为中国和国际天文学界提供独一无二的天文观测设备。FAST 作为世界上最大的单口径球面射电望远镜，具有体型大、精度高、视野广等优势，在中性氢探测、脉冲星接收等方面取得了显著成果，有望在未来为人类探索宇宙奥秘提供更多的重要发现。
二、射电望远镜的工作原理
（一）信号收集与处理过程
射电望远镜的工作过程犹如一场精妙的宇宙信号接力赛。天体投射来的射电波如同宇宙中的神秘使者，首先被射电望远镜的巨大天线，也就是通俗所说的 “锅” 接收。这个天线通常采用旋转抛物面的设计，因为这种形状易于实现同相聚焦，能高效地将来自宇宙各处的射电波反射到副反射面上。以我国的 FAST 为例，其 500 米口径的巨大抛物面天线，能够收集到大量微弱的射电信号。这些信号被反射后，同相到达公共焦点。在焦点处，射频信号的功率首先被放大 10～1000 倍，同时变换成较低频率（中频）。就像一个信号中转站，将宇宙传来的原始信号进行初步加工。接着，通过电缆将中频信号传送至控制室。在控制室内，信号再次被进一步放大、检波。这里的检波过程就如同从嘈杂的背景音中筛选出特定的旋律，将有用的射电信号从噪声中分离出来。最后，以适于特定研究的方式进行记录、处理和显示。终端设备把信号记录下来，并按特定的要求进行某些处理然后显示出来，为天文学家提供了研究宇宙的宝贵数据。
（二）性能指标的重要性
灵敏度和分辨率是射电望远镜的关键性能指标，它们如同打开宇宙奥秘之门的两把钥匙。灵敏度决定了射电望远镜对微弱信号的观测能力，是指射电望远镜在工作中所能测到的最小能量值，这个值越低灵敏度越高。例如，一些先进的射电望远镜通过降低接收机本身的固有噪声、增大天线接收面积、延长观测积分时间等方法来提高灵敏度。以目前世界最大的单口径射电望远镜 FAST 为例，其灵敏度极高，能够探测到极其微弱的射电信号。这使得我们能够观测到距离地球极其遥远、辐射强度很弱的天体，为研究宇宙的演化和结构提供了重要线索。分辨率则反映了射电望远镜区分两个靠近射电源的能力。由于无线电波的波长要远远大于可见光的波长，因此射电望远镜的分辨本领远远低于相同口径的光学望远镜。但是，通过增大射电望远镜的口径、运用干涉仪的原理建设阵列射电望远镜或者接收更短波长的无线电波等方法，可以提高射电望远镜的分辨率。高灵敏度和高分辨率的射电望远镜能让我们更清晰地观测宇宙天体，就像拥有了一双能够穿透宇宙迷雾的慧眼。它们可以帮助我们区分宇宙中彼此靠近的射电点源，探测微弱的射电源，揭示宇宙中那些隐藏在黑暗中的奥秘，为人类探索宇宙的起源、演化和结构提供强大的工具。
三、射电望远镜在天文学中的作用
（一）重大天文学发现
射电望远镜自发明以来，为天文学带来了许多重大发现。其中，小行星成像方面，1989 年阿雷西博望远镜发现了小行星 “4769 卡斯塔利亚”，并利用雷达成像技术建立了其三维模型。现代射电望远镜可以获得更多成像细节，多台望远镜协同观测能得到比单台望远镜多得多的信息。
在脉冲星的发现上，1974 年拉塞尔・赫尔斯和约瑟夫・泰勒利用射电望远镜发现了脉冲星，双星脉冲星是附近有白矮星或中子星围绕脉冲星运行的天体，毫秒脉冲星则是自转周期非常快的中子星。天文学家正把遍布银河系的脉冲星当作巨大科学仪器，用来直接探测爱因斯坦广义相对论预言的引力波。
系外行星的发现也得益于射电望远镜。1992 年 1 月 9 日，天文学家亚历克斯・沃尔兹森和戴尔・福莱尔在波多黎各的阿雷西博天文台发现了系外行星，它们围绕着一颗名为 PSR 1257+12 的脉冲星运行，这些系外行星大约是地球的四倍大，其围绕脉冲星的分布比例与水星、金星和地球围绕太阳的分布比例非常相似。
戈登・佩滕吉尔利用阿雷西博望远镜提出了关于水星旋转的理论，确定水星的真正公转周期是 59 天，纠正了此前人们认为的 88 个地球日的公转周期。
21 厘米氢线是由爱德华・珀塞尔和哈罗德・埃文在 1951 年发现并观测到的，射电天文学家利用这条氢线确定银河系中的中性氢的位置，使银河系的螺旋结构得以出版。
（二）未来的应用前景
射电望远镜在未来有着广阔的应用前景。观测脉冲星可以为宇宙飞船指明方向，脉冲星稳定的自转周期使其成为宇宙中的天然 “灯塔”。例如，我国的 “中国天眼” FAST 已经发现了超过 740 颗脉冲星，未来有望为宇宙飞船的星际航行提供精确的导航。
射电望远镜还可用于搜索星际通讯信号，寻找地外文明。如平塘天眼 500 米口径球面射电望远镜可用于搜寻识别可能的星际通讯信号，寻找地外文明。中国天眼作为目前世界上最大的单口径可动射电望远镜，具备精确测量和分析射电信号的能力，让科学家们可以更好地寻找外星信号。通过对射电信号的分析和比对，科学家能够确定是否存在外星生命的存在。
此外，射电望远镜可以巡视宇宙中的中性氢，为探索宇宙起源和演化提供重要依据。500 米口径球面射电望远镜作为一个多学科基础研究平台，有能力将中性氢观测延伸至宇宙边缘，观测暗物质和暗能量，寻找第一代天体。研究极端状态下的物质结构与物理规律，发现奇异星和夸克星物质，发现中子星 —— 黑洞双星，无需依赖模型精确测定黑洞质量；通过精确测定脉冲星到达时间来检测引力波；作为最大的台站加入国际甚长基线网，为天体超精细结构成像；还可能发现高红移的巨脉泽星系，实现银河系外第一个甲醇超脉泽的观测突破。
四、未来射电望远镜的发展趋势
随着科学技术的不断进步，射电望远镜的观测灵敏度和空间分辨率将会得到进一步提升。
（一）技术创新带来的突破
平方公里阵列射电望远镜（SKA）作为全球最大规模综合口径射电望远镜项目，被英国广播公司称为 “21 世纪最伟大的科学项目之一”。SKA 由位于澳大利亚的低频阵列和位于南非的中频阵列两部分组成，因接收总面积约 “1 平方公里” 而得名。SKA 的建设于 2021 年 7 月启动，计划到 2028 年完成第一阶段，届时将达到总规模的 10%。SKA 由约 2500 面直径 15 米的碟形天线、250 个直径约 60 米的致密孔径阵列和 130 万个对数周期天线组成的稀疏孔径阵列构成，覆盖 50MHz 至 20GHz 的频率范围。这个射电望远镜阵列的等效接收面积达到平方公里级别，建成后将用于解决天体物理学中的重大问题，比如对爱因斯坦所提理论进行精确测试，甚至搜寻外星球生物。
中国天马射电望远镜作为国内领先、亚洲最大、国际先进的 65 米口径全方位可动的大型射电天文望远镜系统，在天文及航天领域中有众多基础科学研究及应用，对未来 10 年的射电天文带来新的观测能力。这些重要射电望远镜项目的建设，将推动动态宇宙研究等前沿科学问题的解决。例如，SKA 能够探测到宇宙大爆炸之后第一代恒星和星系形成时发出的电磁波、揭示磁场在恒星和星系演化过程中的作用、探测暗能量产生的种种效应。
（二）市场前景与应用领域的拓展
根据贝哲斯咨询对射电望远镜市场数据研究表明，2023 年全球射电望远镜市场规模达到了一定规模，中国射电望远镜市场规模也达到了相应规模。针对预测年间射电望远镜市场的发展趋势，贝哲斯咨询预测，全球射电望远镜市场容量将以一定的年复合增速增长到 2029 年达到更高规模。
从产品类型分类，射电望远镜行业可细分为不连续孔径射电望远镜和连续孔径射电望远镜。以终端应用分类，射电望远镜可应用于专业研究、业余天文爱好、其他等领域。随着人们对宇宙探索的兴趣不断增加，业余天文爱好市场也在逐渐扩大。越来越多的天文爱好者开始关注射电望远镜，推动了射电望远镜在业余天文爱好领域的应用。同时，在专业研究领域，射电望远镜的重要性不言而喻。它为天体物理学、宇宙学等领域的研究提供了强大的工具，帮助科学家们更好地理解宇宙的起源、演化和结构。未来，射电望远镜的应用领域还将不断拓展，为人类探索宇宙奥秘提供更多的可能性。
