中国射电望远镜的发展

中国射电望远镜的发展

米立功

【摘 要】中国射电天文技术经过58年的发展,已经有了长足的进步,它的重要标志

就是射电望远镜.目前,中国已经建设完成了一批具有世界知名度的大型射电望远镜,

它们在天文学研究中发挥着越来越重要的作用.回顾了中国射电望远镜长期的发展

历程,重点介绍了不同发展时期最具代表性的射电望远镜及其阵列,也对未来射电天

文发展作了展望.

【期刊名称】《黔南民族师范学院学报》

【年(卷),期】2016(036)006

【总页数】4页(P107-110)

【关键词】天文技术—仪器:射电望远镜;天文学;射电阵

【作 者】米立功

【作者单位】黔南民族师范学院物理与电子科学学院,贵州都匀558000

【正文语种】中 文

【中图分类】P1-092

在20世纪30年代之前，人类主要借助肉眼和光学望远镜对宇宙空间进行观察，

尽管在19世纪末，一批天文学家，包括Johannes Wilsing和Julius Scheiner等，

曾多次尝试探测太阳的射电辐射，但由于受当时天文仪器技术的限制，并没有探测

到任何来自宇宙天体的射电信号，直到1930s，Karl Jansky首次在20.5MHz的

波段上记录了来自银河系的无线电波，标志着射电天文学的诞生[1]。1937年，

Grote Reber受Jansky开拓性工作的激励，建造了一个口径9米的射电望远镜，

他重复了Jansky的工作并在射电波段开展了第一次巡天[2]。1940s， James

Stanley Hey， George Clark Southworth等人先后探测到了来自太阳的射电辐

射，随后，天文学家陆续探测了其他天体的射电辐射，取得了巨大的成果，尤其是

在1960s，天文学家通过射电观测先后发现了类星体(1960年)、星际分子(1963

年)、微波背景辐射(1964年)、脉冲星(1967年)等，使人们对宇宙的认识发生了根

本性的变化。随着射电天文技术，特别是甚长基线干涉技术(VLBI)的进步，射电天

文得到了突飞猛进的发展，射电天文观测将人们的视野从太阳系一直延伸到宇宙的

边缘，射电天文学也成了天文学领域最富生命力的学科之一。

射电天文学的发展离不开射电望远镜技术的进步，射电望远镜主要包括单口径射电

望远镜、综合孔径射电望远镜以及甚长基线干涉阵。目前，世界上具有代表性的单

口径射电望远镜有澳大利亚、意大利的两架64米望远镜、上海的65米射电望远

镜、英国的76米望远镜、德国的100米射电望远镜、美国的110米射电望远镜

(GBT)和305米射电望远镜、贵州500米球面射电望远镜等。射电望远镜的分辨

率θ取决于口径D与观测波长λ，即θ=1.22λ/D。当观测波长恒定时，口径越大，

分辨率越高。由于射电波长远大于可见光波长，因而射电望远镜的分辨本领较之相

同口径的光学望远镜要低得多，对于射电望远镜来说，单靠增大口径来提高分辨率

面临很多困难，这促使天文学家开始考虑更有效的干涉技术。20世纪60年代，

英国剑桥大学卡文迪许实验室的Ryle利用干涉原理，发明了综合孔径射电望远镜

[3]，极大提高了射电望远镜的分辨率。射电干涉原理类似于光学的麦克尔逊干涉，

就是通过相隔两地的两台望远镜接收同一天体的射电信号并使两束波进行干涉，其

分辨率等效于一台口径相当于两地距离的单口径望远镜的分辨率。早期射电干涉仪

是用电缆链接的，受技术的限制，连线一般少于几十公里，也有用微波信号链接的，

可以达到数百公里[4]。20世纪60年代后期，甚长基线干涉(VLBI)测量成功地使

得射电干涉仪不再需要物理链接，基线长度可以达到数千公里。VLBI技术能够提

供遥远的宇宙天体的结构图像，1967年，Broten等人在对活动星系核的观测中

第一次记录到VLBI连续谱干涉条纹。目前，世界上最具代表性的VLBI阵列有美

国的VLBA、横跨亚欧的EVN、南半球的LBA以及日本的VSOP等[5]。

2.1 第一个发展时期：20世纪50年代末到80年代中期

中国射电天文起步于20世纪50年代末。1956年，中央提出'向科学进军'的口号，

同年中国制定了第一个科学技术发展远景规划，在此背景下，以吴有训先生为主导

的科学家们希望在北京建立一个现代化的天文台(北京天文台)，他们以海南岛日环

食为契机，于1958年引进了前苏联的射电天文技术，随后，王绶琯院士领衔筹建

北京天文台的射电部分[6]。1959年，国内办了第一个射电天文培训班，开始培养

新中国第一批射电天文人才。20世纪60年代初，主要进行了射电天文基础建设

与规划的制定，先后筹建了北京天文台的兴隆站和密云站。1963年，由国内自主

设计的密云米波多天线干涉仪开始建造，1967年第一期工程竣工，之后开始向射

电综合孔径望远镜发展。望远镜的研制由于受文化大革命的影响中断了很多年。文

化大革命之后，国内的天文学家们到国外学习了射电天文新技术，1984年，完成

了米波综合孔径望远镜的建设。密云米波综合口径射电望远镜最初设计由32个6

米的天线组成，后扩展到由28面9米天线组成一个东西排列的阵列，最长基线为

1080米，观测波段为232MHz和327MHz。利用该望远镜，在232MHz波段上，

曾对北天赤纬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。20世纪70年代，国际上毫米波射电天文学迅速发展。国内在

这个时期也开始着手筹建自己的毫米波观测站。1978年，紫金山天文台在青海筹

建德令哈射电望远镜，并于1982年开工建设。值得一提的是，在1975年，中国

提出了在我国开展甚长基线干涉(VLBI)工作的论证和建议。

2.2 第二个发展时期：20世纪80年代中期到20世纪90年代

在这个时期，国内建设完成了一批有重要影响的大型射电望远镜，包括德令哈

13.7米射电望远镜，上海佘山25米望远镜和乌鲁木齐25米射电望远镜，围绕这

批射电望远镜开展的观测研究使国内宇宙射电天文得到迅速的发展。同时，国内

VLBI射电天文也得到迅速发展并与国际VLBI网接轨，成为其重要的组成部分。

1986年，上海佘山25米射电望远镜建设完成并于第二年开始投入使用，是国内

最早建成的第一台大型射电望远镜，主要用于VLBI观测[7]。它的工作波段为1.3-

18厘米。1991年，该望远镜加入了欧洲VLBI网(EVN)，成为协联成员，1994年

成为EVN正式成员，并开始进行甚长基线干涉观测。欧洲VLBI网由于上海25米

口径射电望远镜的加入，使基线长了3倍多，分辨率提高3倍多。随后，该望远

镜又成为美国VLBI网和亚太地区望远镜(APT)的重要成员。1997年，该望远镜参

加了空间VLBI观测，随后成为空间VLBI观测计划的地面工作站之一，1998年参

加了国际VLBI网的观测，还参加了三次火星环球勘探号的VLBI定位观测。

德令哈13.7米毫米波射电望远镜在1990年基本建成，并开始观测氨和水分子的

谱线，1996年，研制完成13mm的制冷接收机，正式开始毫米波的观测。该望

远镜是我国第一台毫米波射电望远镜，配备有国内自主研制的90-115GHz SIS超

导接收机，能够在85-115GHz波段上进行银河系内分子云、星际分子谱线巡天等

天文观测研究[8]。

乌鲁木齐南山基地始建于1991年，25米射电望远镜于1993年11月建成，

1994年完善观测系统并于年初成功进行了首期VLBI联测。乌鲁木齐南山25米射

电望远镜处在亚欧大陆连接点，地理位置优越，欧洲VLBI网因它的加入，其观测

精度提高了4-5倍。尽管南山25米射电望远镜最初是为VLBI观测目的而建立的，

但它目前已经成为脉冲星、活动星系核、星际分子谱线等科学研究的国内最重要的

台站之一，特别是脉冲星的观测研究，在国际上相当大小的射电望远镜的脉冲星观

测研究中处于领先地位[9]。

最后，值得一提的是，二十世纪90年代，世界科学家们渴望能够回溯到原初宇宙，

解答天文学中的众多难题，从而提出建造新一代射电“大望远镜”的倡议。1995

年，中国科学院国家天文台联合国内20余所大学和研究单位成立了射电“大望远

镜”中国推进委员会，提出了利用中国贵州喀斯特洼地，建造球反射面即Arecibo

天线阵的喀斯特工程概念，中国科学家为进一步推进喀斯特概念，提出独立研制一

台新型的喀斯特单元，这为500米口径球面射电望远镜(FAST)的建设做好了铺垫。

2.3 第三个发展时期

21世纪至今进入新世纪，中国射电天文学开始突飞猛进地发展，迎来了射电望远

镜发展的黄金时期，在十几年的时间内，中国建设完成或正在筹建一批大型射电望

远镜，包括密云50米射电望远镜、昆明40米射电望远镜、上海65米天马望远

镜、世界上最大的500米单口径球面射电望远镜(FAST)以及正在筹建的110米口

径全可动射电望远镜(QTT)等，在这一时期，还在新疆乌拉斯台建设完成了21米

天线阵，并加入了国际最重要的大型射电望远镜平方千米阵(Square Kilometer

Array， SKA)建设项目。

1996年密云综合孔径射电望远镜巡天任务完成后，主要基于脉冲星观测研究与中

国探月工程的需要，国家天文台计划在北京密云观测站建设一个50米的射电望远

镜，该射电望远镜于2002年10月开始建设，2006年4月完成。在中国探月工

程的催发下，昆明建设了40 米射电望远镜，该望远镜2005年8月开工兴建，

2006年5月建成投入运行，该望远镜的主要任务是接收嫦娥卫星下行的科学数据

并参与完成绕月卫星的精密测轨，同时也开展脉冲星观测研究。随着2006年北京

密云50米和云南昆明40米射电望远镜的建成，加上上海佘山25米、乌鲁木齐

南山25米两台射电望远镜，连同上海数据相关处理中心一起构建了中国的VLBI

网，该VLBI网参与完成了我国嫦娥工程一期的VLBI测轨工作。

上海65米天马望远镜从2008年10月立项到2012年10月建设完成，历时仅四

年，该射电望远镜是目前国内乃至亚洲最大、国际前四的全方位可动的大型射电望

远镜系统。上海天马望远镜的建成标志着我国实现了建设世界级大型射电望远镜的

目标。上海天马望远镜拥有国内最全的观测波段，工作波长从最长21厘米到最短

7毫米，涵盖了开展射电天文观测的全部厘米波段，同时，是国内首个能够在

43GHz频段上开展观测研究的射电望远镜。上海天马望远镜凭借其高性能与宽波

段等优势将在分子谱线、脉冲星、活动星系核观测研究等方面发挥重要作用。上海

天马望远镜配备有高效的VLBI数据采集系统与高精度的时频系统，它将大大提高

中国VLBI网的灵敏度，提升我国深空探测的定轨能力[10]。

500米口径球面射电望远镜(FAST)台址选在了贵州省黔南州，2005年，启动了

“巨型射电望远镜的新模式”，开始密云30米缩尺模型建设，2007年正式立项，

2011年3月开工建设，2016年7月，主体工程完工， 9月竣工，目前是世界上

口径最大的球面射电望远镜。FAST工程的灵敏度和综合性能分别比德国波恩100

米望远镜、美国Arecibo 300米望远镜提高约10倍，作为世界上最大的单口径射

电望远镜，将在未来二三十年保持世界一流设备的地位。FAST的观测研究范围从

宇宙初始混浊、大尺度结构、暗物质与暗能量、引力波、星系演化、类星体到太阳

系行星与近邻空间事件等，其研究具有重大的科学意义[11]。FAST的影响不仅局

限在科学研究方面，在它的催生下，黔南州成立了国内第一个天文局，并在黔南民

族师范学院开办了贵州省第一个天文学本科专业班，为黔南地区培养FAST天文教

学与科普人才。另外，FAST工程建设与科学研究已经升华为一种贵州天文精神，

影响深远。

在这个时期，中国在新疆乌拉斯台山谷还开展了21CMA项目的建设，21CMA由

东西、南北两条长度分别约6公里和4公里的正交基线组成，在东西和南北两条

基线上分别分布着41和40个天线阵，共计布设天线10287只。21CMA项目

2006年建设完成，目前，通过21CMA观测，已经获得了高质量的天图。

21CMA是世界上最早开展搜寻“宇宙第一缕曙光”的唯一大型射电望远镜阵列，

为探测宇宙黑暗时期和宇宙再电离做出独特的贡献。目前，国际天文界已经开始筹

建下一代射电望远镜阵列SKA，SKA工程是由包括中国在内的数十个国家共同合

作建设的以多个单天线组成的庞大望远镜阵列，计划于2020年左右建成，届时，

它将揭示众多天文现象的本质，巨大提高人类在射电波段认识宇宙的能力[12]。除

此之外，新疆天文台正在筹建110米射电望远镜，建成后，将成为国内最大的全

可动射电望远镜[13]。

从中国射电望远镜的发展历程来看，有以下三个比较明显的特点：其一,单架射电

望远镜的口径越做越大，目前FAST工程口径已到达到了500米，未来全可动射

电望远镜口径将会进一步增大，例如，未来将建成新疆110米射电望远镜；其二，

单架望远镜的观测波段数越来越多，目前，上海天马望远镜观测波段已经达到8

个；其三，射电望远镜及其阵列的灵敏度越来越高，目前FAST工程灵敏度在L波

段已经达到2000m2/K。21世纪的天文学有一系列亟待解决的重大科学难题，如

宇宙起源和演化、暗物质暗能量与大尺度结构、黑洞和致密天体、引力波、太空生

命起源与地外文明等，这些问题的揭示将使人类对物质世界的认识发生重大的变革。

要想揭示这些难题，需要观测能力的提升，这就促进大型射电望远镜的快速发展

[14]。未来的射电望远镜将具有多观测波段、高分辨率、高灵敏度、科学目标针对

性强等特点。未来的射电望远镜将与新技术方法结合，不断提高观测性能。另外，

随着大型单口径射电望远镜的建设与使用，射电望远镜阵列包括毫米/亚毫米波阵、

空间VLBI，将成为未来发展的一个大趋势[15]。

科学研究是为了更好的认识物质世界和人类自我，对宇宙终极问题的思考和研究将

促使人类不断追求更高、更好的科学认知方法和技术，射电天文科学研究与技术也

将在人类对未知的探索过程中不断发展和完善。

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