射电望远镜发展和脉冲星的观测研究

射电望远镜发展和脉冲星的观测研究吴鑫基北京大学物理学院天文系国家天文台乌鲁木齐天文站祝贺射电天文暑期学校开学我国射电天文始于1958年，从无到有，没有观测设备，没有人才。从办射电天文训练班开始。由王绶琯院士主持开讲，培养了第一批人才，成为我国射电天文事业的骨干。今天，在贵州大学，旧景重现。所不同的是，我国天文学的发展进入了一个新的历史时期。•天文学是一门“观测的科学”，望远镜的任务是看得见、看清楚、看仔细来自天体的电磁波。•望远镜做得愈大，聚光能力就愈强，就能看见原先看不见的范围。天文世界里看不见的范围太大了!我们仅仅看到了冰山一角。•望远镜的发展必然要与学科互动、成为“永远迫切”发展的目标。天文观测能力必须不断提高国际上天文学发展的步伐是非常快的。投入很大，每十年平均总投入不下六七十亿美元、把各类天文望远镜的功能“升级一代”。可以说是“大规模、高速度、巨投入”的发展。我国的投入要小得多。1997年，LAMOST立项，经费2.4亿，揭开了新的发展时期。仅射电就有FAST、嫦娥探月VLBI、65米、80米、南极亚毫米波，射电日像仪、21厘米阵等，一个接着一个。我国射电天文发展新的历史时期•今天的射电望远镜集当今最先进的技术于一身，需要多方面的尖端技术。从业者不仅要有专长，而且还要善于最大限度地从国内甚至世界的“技术资源”中吸取；还要适时地发展新技术。•还要善于与”地方发展”互动，取得地方领导和人民大众的支持。•研究射电天文需要了解其他波段天文研究的知识。射电望远镜发展需要各方面的人才一，射电望远镜的发展和现状；二，脉冲星的发现和研究意义；三，射电脉冲星的观测技术；四，乌站25米射电望远镜的脉冲星观测研究；•了解历史和现状，才能站得高!不仅可以借鉴其经验，还有可能使用权证所需的观测设备。•以脉冲星为例，体会射电观测的成就和意义。第一讲射电望远镜的发展和现状北京大学吴鑫基射电望远镜的发展和现状一、射电天文观测到巨大进步二、射电天文学的萌生三、世界大型单天线射电望远镜四、综合孔径射电望远镜五、甚长基线干涉仪系统的发展射电波段的观测的突破•最初射电观测分辨率比光学差5个数量级，不能成像；•肉眼（0.6厘米）波长550纳米，分辨率23角秒100米射电望远镜，5厘米波长，分辨率125角秒•目前哈勃空间望远镜0.1角秒射电望远镜～0.00125角秒并能成像。一，射电天文观测的巨大进步射电天文学成为诺贝尔物理学奖的摇篮10项天文诺贝尔物理学奖中射电望远镜发明1项射电观测成果4项占50％•在射电望远镜出现以前，天文学家对天体的射电辐射一无所知，甚至连天体有没有射电辐射也不知道。•伽利略发明光学天文望远镜以来，天文学家忙于利用光学望远镜观测天体，没有天文学家自觉地去寻找天体其他波段的辐射。二、射电望远镜和射电天文学的萌生20世纪30年代初美国贝尔电话实验室的央斯基发现银河系中心发射来的无线电波。1，射电天文的萌生央斯基K.G.Jansky•20世纪20年代末，贝尔电话实验室，央斯基负责研究短波无线电通讯中的静电干扰，意外地发现来自天体的无线电噪声。可贵之处在于•1932年，宣布接收到来自太阳的噪声；•1933年，指出来自银河系中心；•1935年，再次发表进一步的观测结果。•为了巡查天电干扰来自何方，天线必须具有方向性，能够灵活地转动。•1931年12月，央斯基设计的天线长30.5米、高3.66米的天线阵，工作波长为14.6米。天线下面安上了四个轮子，20分钟可以绕中央的铅垂线旋转一周。•1932年1月发现一种十分微弱而又十分稳定的信号，来自银河系人马星座的方向。发现一种十分微弱而又十分稳定，经过一年多的仔细观测和分析，确认是来自太阳系外某个确定的方向。天线指向银河系的某个部分，就会收到辐射，指向银河系中心处有最大响应。雷伯（GroteReber）•无线电工程师•研制一台9.5米反射面射电望远镜•验证了央斯基的结果•得知央斯基发现宇宙射电辐射后，立即向贝尔实验室提出调去与央斯基一起研究射电天文学。没有成功。•决心用业余时间和自己的工资来实现梦寐以求的愿望。经过几年的努力，制成了世界上第一台射电望远镜。雷伯把它安装在自己家的后院里。雷伯射电望远镜（放置在NRAO）观测结果人类第一幅射电天图，给出银河系3个强射电源。美国成为射电天文学的发源地。央斯基和雷伯是奠基人。光学天文技术和射电技术差别太大，当时的天文学家基本上没有跟进。人民还没有仔细品尝这道美餐，第二次世界大战中断了射电天文的发展。•雷达对无线电信号非常灵敏，可以接收银河系、太阳的射电辐射及流星遗迹回波。雷达接收系统就是射电望远镜。•第二次世界大战中，雷达技术飞速发展，飞机载雷达要求小型化，雷达从米波到厘米波，为战后射电天文发展准备了绝好的条件（人员、设备和技术）。•英国和欧洲受德国威胁最大，雷达的发展更快。2，雷达技术促使射电观测技术发展•二战中，英国雷达发现太阳射电爆发；•二战以后，由雷达改造的射电望远镜如雨后春笋般在世界各国出现。主要用于观测太阳。也有一些直径20～30米的抛物面望远镜。其性能已超越雷伯的望远镜。观测波段达到分米波和厘米波，空间分辨率提高了很多。•一些研制雷达的专家直接转向射电天文学的研究。射电天文学的研究蓬勃发展。3，我国的射电望远镜发展梗概•1958年开始。•契机是海南岛日环食，前苏联派观测团来观测，为迎接这次合作临时组队。之后，王绶琯先生受命实施发展射电天文的计划。•三件事：在北京举办为期一年的射电天文训练班；借苏联观测对一台射电望远镜，开始研制自己的射电望远镜；在沙河建立太阳射电观测站。•1958～1984太阳射电太阳射电望远镜，十余台；•1984～1993宇宙射电密云米波综合孔径；上海和乌鲁木齐25米射电望远镜；青海13.7米口径毫米波射电望远镜；•2006年之后掀高潮北京50米、昆明40米、新疆21厘米天线阵和中国甚长基线干涉仪相继建成。贵州500米、上海65米、新疆80米、射电日像仪在建或筹建中）射电望远镜近80年的发展，均围绕它们进行：（1）能接收到来自天体的微弱辐射灵敏度度的定义:最小可测流量密度A为天线面积，Δf是频宽，t是观测时间Tsys接收系统温度，流量密度单位：fATSsysΔ∝τmin4，射电望远镜的两个重要公式（2）能看清天体细节，有很高的空间分辨率Dλθ22.1=（弧度）•θ：分辨角;λ波长;•D:单天线望远镜的口径;D:多天线望远镜的最长基线。分辨角越小，分辨率越高。•光学波段的波长远比射电波段的短，光学望远镜的分辨率远比射电望远镜高。围绕这两个公式，不断提高望远镜的灵敏度和分辨率：•从小到大，从几米口径到100米，到300米；•从米波到厘米波，到毫米波和亚毫米波；•从单天线到多天线系统，基线从千米到5千米，到几十千米、几百千米、几千千米，甚至几万千米。•从地面到空间。5，射电望远镜发展的经历国际大型射电望远镜•英国JodrellBank76米射电望远镜（1958）•澳大利亚Parkes64米射电望远镜（1961）•美国Arecibo305米射电望远镜（1963）•德国Bonn100米射电望远镜（1972）•日本45米毫米波射电望远镜（1982）•美国15米亚毫米波射电望远镜（1987）•美国GreenBank100×110射电望远镜（2000）三，大型单天线射电望远镜我国大型单天线射电望远镜•上海25米射电望远镜；•乌鲁木齐25米射电望远镜；•青海13.7米口径毫米波射电望远镜的建造。•北京密云50米射电望远镜•昆明40米射电望远镜•上海65米射电望远镜（建造中）•新疆80米射电望远镜（筹建中）•贵州500米射电望远镜（FAST)(建造中）•望远镜天线表面如果和理想抛物面有差别，来自与抛物面主轴平行方向上的天体射电波不能会聚到焦点上。•只有当抛物面天线的表面精度达到1/20波长。对短厘米波和毫米波，精度要求更难达到。1，建造大天线的困难：（1），天线表面要求高精度（2），指向和跟踪精度要求高对大型天线来说，分辨率比较高，特别是对短厘米波和毫米波，分辨率更高。如100米口径，1厘米波长，分辨角仅为25角秒。要使望远镜的方向主瓣准确对准射电源要求指向精度很高。要跟踪射电源也比较难。这成为望远镜很重要的技术指标。•天线的自重，不同位置不同的影响•风力大小•温度变化•对厘米波段、毫米波段天线，影响更大，更难。（3），天线变形造成影响2，英国是先锋，是国际中心•二战后，英国洛弗尔教授率先提出和领导研制了76米口径的大型射电望远镜，主导了世界射电天文学从小型射电望远镜到大型射电望远镜过渡的一场技术革命。•至今，1957年建成的76米口径射电望远镜仍然是七大单天线射电望远镜之一，成为世界天文学发展史上的一个里程碑。英国JodrellBank76米射电望远镜•1951年，首次观测到银河21厘米中性氢谱线。•76米原设计最短1米，不能观测21厘米氢线！改变设计。改为21厘米，加工精度需要达到1厘米。改用金属面板。•1987年，改名为洛弗尔射电望远镜。21厘米氢线迫使中途改变设计3，南半球最大的帕克斯射电望远镜•望远镜于1958年动工，仅用2年半的时间就顺利完成，于1961年开始投入观测。•澳大利亚地广人稀。但却是天文学研究的大国，射电天文学研究更是世界领先。•这台南半球最大的射电望远镜管了半边天，对高南纬的射电源的观测成为它的专利。•接收系统不断改进，使灵敏度不断提高。澳大利亚Parkes64米射电望远镜多波束接收系统－－提高灵敏度和加快观测速度•．•多波束接收系统由13个馈源和自己的低温放大器和处理系统，技术复杂，相当庞大。•一次能看到的天区范围大了13倍。加快了巡查速度。或者增加对观测时间。•多波束接收系统进行中性氢的第一次巡天，将已有的中性氢区的样本增加百倍以上。•继而这个系统又用于脉冲星巡天，发现脉冲星的数量成倍的增加。澳大利亚64米射电望远镜13波束馈源4，德国口径100米射电望远镜•20世纪60年代末提出建造口径100米可跟踪射电望远镜，而且要能在毫米波观测。•最大难点是：天线表面误差不能超过波长的1/20。天线运转过程中，因天线自重量、风速、温度变形导致变形也不能超出1/20波长。。最大亮点：主动反射面系统•1968年开始建造，1972年8月1日投入观测。•100米口径天线表面是由2372块长3米、宽1.2米的金属板排成17个同心圆环而构成的。•首次把主动反射面技术引入射电望远镜的建造。在天线表面的每块金属板下面安装一种特殊的可调整的支撑结构，先精确地测出天线表面变形的情况，然后按照测得的数据，用电子方法控制机械装置调整面板，•光学望远镜在20世纪80年代已应用这一技术。第二反射面和接收机•观测频带很宽：90厘米～3毫米；分成22个波段来配备接收机。•在主反射面焦点后面增加口径6.5米的凹椭球面的反射面，有两个焦点F1和F2，分别放两个馈源屋。（格雷果里在1663年发明）5，美国格林班克100米口径射电望远镜•1988年，91.5米射电望远镜突然坍塌。•决心建造世界上最大的可跟踪射电望远镜。标新立异设计成歪脖子。天线表面上和正上方空无一物，有效接收面积大，避免支撑架造成的反射和衍射。•在口径208米的对称旋转抛物面上，截取下100米×110米的一部分。高度自动化的调控系统•激光测距系统，测出天线表面形变，发出指令通过马达把主反射面和第二反射面调整好。测量精度非常高，也非常快。•天线由2004块金属板拼成，每块金属板四个角上安装上由计算机控制的小型马达驱动器，保证反射面不偏离理想抛物面。6，阿雷西博雷达射电望远镜•口径为305米的阿雷西博射电望远镜，并不是为了天文学研究的需要，而是为了研究地球电离层。后来天文学研究喧宾夺主。成为世界上最灵敏的射电望远镜和雷达。如果是抛物面，300米口径，5厘米波长，方向图主瓣0.7角分，天线不动，只能观测非常小的天区。球面天线的特点1，没有主光轴，便于观测不同方向的射电源；2，聚焦在一条线上。对馈源要求复杂；3，用球面的不同部分观测不同的天区馈源要相应的移动。观测是使用面积的直径为200米。美国