射電望遠鏡的綜合孔徑技術
孔徑是一種用來觀測天體的射電新方法,有人用這樣的比喻來說明綜合孔徑技術;有一條大河,我們不知道它的橫斷麵的情況,為了繪製這條河的斷麵圖,我們可以用兩種辦法;一種是派出十條測船分別在河橫麵上排成一個橫隊,同時各自測出船下的水深,從這10個數字中繪出河床的斷麵圖;另一種辦法是隻派出一條測船,分別在河麵的10個測點上測出水深,也得到10個數字,那麼根據這10個數字也能測出河床的斷麵圖。綜合孔徑技術就是類似於後者的一種方法。
人們把射電望遠鏡固定在一個地方,利用地球自轉的運動,像有船在河麵上的運動一樣,從不同的空間點來對同一個星體進行觀測,分別記錄下來精確的時間和觀測數據。再進行最後的分析,得出星體的圖像。現在,人們把孔徑技術發展到更進一步了。人們把許多台射電望遠鏡排列成一個天線陣,像在一個邊長有幾千米長的大棋盤上一樣,在棋盤的中央固定一架射電望遠鏡,然後把另一架望遠鏡逐次移動到棋盤的每個格點上,組成雙天線幹涉儀,對各種不同基線長度分別測量出幹涉信號的振幅和相位,這樣就可以得出口徑像幾千米的射電望遠鏡觀測一個射電源所得的二維圖像。不僅僅是這樣,人們還同時利用地球自轉引起的基線長度和方位的變化,根據傅裏葉變換
(一種數字變換)綜合出一個相當大的天區內射電強度的分布,得出天體的圖像。
這種綜合孔徑的分辨率與直徑是基線最大長度的單天線相同,接收麵積是各個天線接收麵積的總和,而且,和同等口徑和分辨率的一個射電望遠鏡相比,綜合口徑要便宜得多,因此,它是一種很有效的新技術。
射電望遠鏡的技術
隨著射電天文學的發展,人們越來越需要具有高分辨率的射電望遠鏡,以便於更好地觀察天體的細節。我們都知道,望遠鏡的分辨率與它的口徑有關,分辨率越高,它要求的望遠鏡的口徑就越大。射電望遠鏡工作在無線電波段,接收的波長比光學望遠鏡要大1萬倍甚至1億倍,根據分辨率的公式,如果一架射電望遠鏡工作在毫米波段,它要達到口徑5厘米挑戰型光學望遠鏡那樣的分辨率,那麼它的天線直徑就要達500米,如果它工作在10米波段,天線直徑就得5000千米!製造這樣的望遠鏡是完全不可能的。後來,科學家們利用光幹涉的原理,製作了射電幹涉儀。隨著近代科學技術的發展,在天文觀測中人們使用了―精確的原子鍾和磁帶記錄技術,由兩個天線分別在同一時刻接收同一射電源的信號,各自記錄在磁帶上,然後把磁帶送到計算機上進行相關處理,得出觀測量,這種觀測方法有一個特別的優點就是望遠鏡口徑不受限製,可以達幾千千米。想想看,一台口徑是地球的直徑的望遠鏡,是怎樣的奇跡!
由於上述甚長基線幹涉測量具有很高的精度,所以,這種方法主要用來進行射電源的精確定位,並且測量數千千米範圍內的基線距離和方向的變化,我們可以進行建立以河外射電源為基準的慣性參考係,研究地球大陸板塊運動和區域性地殼運動的形變,以及揭示極移和世界時的短周期變化規律,地球自轉速率的變化等工作。很容易理解,如果我們能夠精確地把兩個地點之間的距離和方向每天都記錄下來,然後隔一段時間再進行比較,那麼,根據這個距離和變化情況我們就可以測出兩個不同地點所在的板塊的相對運動和地殼運動所發生的形變。用甚長基線測量極移和世界時的短周期變化規律的道理也是這樣,世界時是根據地球自轉的運動規律建立起來的時間係統,我們利用甚長基線法精確地測定地球的自轉運動,然後把這個記錄跟均勻變化的髙精度的原子鍾進行比較,相減,所餘的部分就是世界時的短周期變化了。
在天體物理學方麵,由於甚長基線幹涉儀的在線不受限製,使幹涉儀的分辨率可以高達萬分之幾角秒,這樣,我們就可以得到射電源亮度分布的結構圖,對這引起射電源的結構圖進行細致的研究,我們會得到有關天體演化的一些知識。
眾所周知,在地球的四周存在著大氣,這些大氣對於天體的射電信號會產生相應的隨機相位起伏,這樣就會使幹涉條紋相位的測量產生誤差,限製了甚長基線幹涉法的使用。科學家們又想出了一個辦法,不僅是兩個站台同時觀擁,而且是用3個站台在3條不同的—@射電源進行目現測,這樣就消除了地球表麵大氣和時鍾誤差引起的隨機贓使甚的觀測日緣完善了。
甚長基線於涉測量技術在國際上巴有幾十年的曆史,並且在於科學領域中推廣使用。我國這方麵的工作也已經開始了。1981年11月在上海天文台——前西德馬普射電研究所之間已經成功地進行了我國首次參與的洲際甚長基線幹涉擁量實驗。目前,我國正準備在國內建立一個國內的網,在上海、新疆和雲南分別粒拋額站,用來進行進一步的係統的工作。
空間望遠鏡的優勢
天文學家們總有一些奇怪的直覺的傾向,比如說,他們決定將望遠鏡裝在高山上,好像能離星星近一些,也就看得更清楚一些。當然,他們果然是比在平地裏看得更清楚了。現在,天文學家們把望遠鏡裝得更高,甚至裝到了脫離地球大氣層的地球軌道上,這就是空間望遠鏡。難道他們這麼做僅僅是為了離觀測的星體更近嗎?就像我們為了看清楚金魚遊來遊去的樣子而使勁地趴在玻璃缸上一樣?當然不是。其實,裝置太空望遠鏡是為了避開地球的大氣對天文觀測的影響。我們大家都知道,在全波段的電磁輻射中,地球大氣隻為我們在地麵上的觀測開了幾個小小的窗口,也就是可見光窗口,波長3~15厘米的無線電窗口和"半透明”的紅外窗口。我們隻能從這幾個窗口裏往外“看”,其他波段就完全被地球大氣這堵“牆”擋住了,完全看不見。而且,在大氣層上層以及下層的陽光和星光也閃爍不定,使我們分辨不清一些比較弱的也是閃爍不定的光體。在大氣層中,下層有許多不均勻的物體,它們對光具有反射、折射和分散的作用,這些作用使得地麵望遠鏡接收的外層空間圖像發生嚴重的畸變,變得非常的不真實。大氣層的這些“害處”,使科學家們不得不逃出大氣層,到外層空間去進行觀測。隨著火箭技術的發展,科學家們的夢想得到了實現。
那麼。空間望遠鏡有什麼巨大的威力呢?空間望遠鏡可以得到非常鮮明的星體甚至星雲的照片和畫像,從這些東西裏得到的知識,將會遠遠超過5000年的地麵觀測所積累的全部知識的總和,這對於我們探索太空奧秘是一個大跨步。並且,除了太陽、月球和地球視場附近之外,空間望遠鏡可以觀察天體的任何部位,這將使我們的視野大大地開闊,這樣,我們就不僅僅是從窗口裏看宇宙,而是走到戶外來觀賞宇宙了。
大型空間望遠鏡將會“工作到近乎由光的本性所確定的極限。”也就是說,由於空間望遠鏡不存在重力引起的結構形變,它接收到的圖像清晰而穩定,光有多少反射進來,它就會呈現出怎樣一個真實的像,空間望遠鏡可以探測到
非常暗淡的天體,比地麵上那架大的海爾望遠鏡(口徑為5米,安放在美國帕洛瑪山上)所能觀測到的最暗的天體還要暗100倍,它能產生角徑小於0.1弧秒的清晰物象,並且能記錄暗到29星等的天體,這樣,人們會看到比現在地麵觀測所能看到的遠10倍的距離。
大型空間望遠鏡可以觀測整個電磁波譜,所以它能以前所未有的精度和細節來研究紫外區和紅外區。並且,它在一切條件下工作,無論是刮風下雨還是白天黑夜,有沒有大氣輝光或照明燈光,甚至太陽出現在近旁也不會妨礙對星星的觀測。