甚長基線干涉射電望遠鏡的發(fā)明和歐洲網(wǎng)

1、甚長基線干涉射電望遠鏡的發(fā)明和歐洲網(wǎng)英國的多天線微波連接干涉儀網(wǎng)（MERLIN）把基線擴大 到200多千米，使射電望遠鏡的分辨率超過獨領(lǐng)風騷的哈勃 空間望遠鏡。但是，能不能更上一層樓，把天線的基線再拉 長，長到相當于地球直徑的1萬多千米，把射電望遠鏡的等 效大天線做成與地球一樣大，甚至突破地球的限制，把基線 擴展到空間？甚長基線干涉技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)實現(xiàn)了這個天 方夜譚式的美夢。國際甚長基線干涉觀測早已突破雙天線干涉儀的形式， 由一個國家、一個地區(qū)，甚至全世界范圍的大、中型射電望 遠鏡組成一個網(wǎng)。按照嚴密的計劃對同一個射電源進行觀測。 不僅分辨率高，還可以成像。歐洲甚長基線干涉網(wǎng)是目前世 界上分辨

2、率最高、最靈敏的，它不僅包括好幾個歐洲的特大 型單天線射電望遠鏡，還邀請了中國和南非參加，使基線擴 大了好幾倍。甚長基線干涉射電望遠鏡的原理高分辨率是天文學家追求的目標，在理論上干涉儀的兩 面天線間距可以達到幾百千米、幾千千米甚至幾萬千米，那 么分辨率就可以提高幾萬倍，甚至幾十萬倍。但是如何實現(xiàn) 各個射電望遠鏡之間的連接是一個難題，用饋線連接或是微 波接力的方式都不行。天文學家想出的辦法是：取消任何連 接。用一種神奇的干涉儀叫做甚長基線干涉，簡稱VLBI來實 現(xiàn)各個望遠鏡之間的連接，就是讓多面相距特別遙遠的射電 望遠鏡同時觀測同一個射電源，各自獨立地把觀測到的信號 記錄在磁帶上，然后把各臺射電

3、望遠鏡的資料拿到一起，用 一臺相關(guān)器進行處理，得到干涉觀測結(jié)果。其中關(guān)鍵的技術(shù) 是把極端穩(wěn)定的原子鐘應用到干涉觀測。如果兩臺射電望遠鏡記錄在磁帶上的信號是同一個射 電源、同一時刻發(fā)出、同一頻段信號，把這兩個信號數(shù)據(jù)流 輸入相關(guān)處理器，就能產(chǎn)生干涉。實現(xiàn)這“三個相同”后， 用記錄在兩個磁帶上的信號相加與用饋線傳送信號到一起 后相加的效果完全一樣。天線對準同一個射電源容易做到， 同時觀測則利用極端準確的原子鐘在磁帶記錄上打上極其 精確的時間標記來解決。接收到相同的頻段的射電波也由原 子鐘來實現(xiàn)。射電望遠鏡天線接收到天體的射電輻射后，經(jīng)過低噪聲 的放大器放大，由變頻器將頻率從高頻降至中頻。變頻器的

4、主要部件是本機振蕩器，天體射電波的頻率和本機振蕩的頻 率相減就是變換后的頻率。一般的射電干涉儀多臺望遠鏡使 用同一個本機振蕩器，如果本機振蕩器的頻率不穩(wěn)，各臺射 電望遠鏡接收的頻率同步地變化，就能保證各臺射電望遠鏡 接收的是相同的頻段。甚長基線干涉儀取消饋線連接，每臺 射電望遠鏡都有自己的本機振蕩器，如果它不穩(wěn)定，其后果 就致命了。好在原子鐘的頻率極端穩(wěn)定，氫原子鐘的頻率穩(wěn) 定度已經(jīng)達到10-14，甚至10-15。應用原子鐘作為本機振蕩 器，解決了這個困難。各個射電望遠鏡按照統(tǒng)一的計劃對同一個天體進行觀 測，把天體信號記錄在磁帶上，相關(guān)處理器把各個單元觀測 的數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，獲得強弱相間的干

5、涉條紋。干涉條紋 包含了很多天體的信息，應用多種軟件進行分析后便得到高 分辨率的射電源圖像。歐洲甚長基線干涉網(wǎng)早在20世紀60年代末，甚長基線干涉技術(shù)就已經(jīng)開始 發(fā)展，在1970年1971年進行的實驗觀測到射電源運動的 視超光速現(xiàn)象，成為VLBI新技術(shù)得到的最令人興奮的成果之 一。幅員廣闊的發(fā)達國家相繼建立起自己的VLBI系統(tǒng)。但是， 突破國家的局限，建立一個地區(qū)，甚至全世界范圍的大、中 型射電望遠鏡組成一個網(wǎng)也已成為潮流。歐洲地區(qū)的國家最 感迫切，率先于1980年組織歐洲網(wǎng)（EVN）。創(chuàng)建時有德國、 意大利、荷蘭、瑞典和英國的射電天文臺，以及德國波恩大 學的測地系，總部設(shè)在荷蘭，很快就擴展至

6、歐洲各國。歐洲網(wǎng)所覆蓋的地區(qū)還不夠大，分辨率不高。因此對我 國上海和烏魯木齊的25米射電望遠鏡特別感興趣，力邀參 加歐洲網(wǎng)。歐洲網(wǎng)擴大到了亞洲，還有非洲的南非，形成具 有非常長基線的VLBI網(wǎng)，成為世界上分辨率和靈敏度最高的 VLBI 網(wǎng)。VLBI歐洲網(wǎng)與英國的MERLIN組合，并還常與美國的 VLBA同時觀測，組合成全球VLBI，在高于6GHz以上的頻段 上，可以獲得亞毫角秒的分辨率。歐洲網(wǎng)還參加日本的空間 VLBI,成為它的地面站之一。全世界的VLBI還曾聯(lián)合起來組成 一個地球大小的“特大型射電望遠鏡”，在同一時間進行觀 測。屬于一個網(wǎng)中的甚長基線干涉儀的接收系統(tǒng)和記錄終 端都是采用統(tǒng)一標

7、準，目的是要進行聯(lián)網(wǎng)觀測，要升級，大家一起升級?，F(xiàn)在應用的系統(tǒng)已經(jīng)從MarkII逐步發(fā)展到MarkV 了。有了射電望遠鏡、接收機、記錄終端、原子鐘， 就可以組織成一個甚長基線干涉觀測的單元，可以參加國際 的聯(lián)測。但是，記錄的觀測數(shù)據(jù)要送到國際聯(lián)測的數(shù)據(jù)處理 中心去統(tǒng)一處理，處理中心備有相關(guān)處理器和多種軟件系統(tǒng)。歐洲網(wǎng)的觀測按照統(tǒng)一的計劃進行，每1年分為3個觀 測期，每期34星期，一般地用34個波段進行觀測。觀 測課題的申請要經(jīng)過專門的委員會審查通過才能分配到觀 測時間。中國的甚長基線干涉網(wǎng)我國上海和烏魯木齊的兩臺25米射電望遠鏡以其巨大 的地理位置的優(yōu)勢躋身于世界之林。以在歐洲網(wǎng)中的地位來 說

8、，上海25米口徑射電望遠鏡的加入，使基線長了 3倍多， 提高分辨率3倍多。烏魯木齊25米射電望遠鏡處在歐亞大 陸連接點，特殊的地理位置，使歐洲VLBI網(wǎng)觀測精度提高了 45倍。歐洲網(wǎng)聯(lián)合研究所所長高度評價說：“上海和烏魯 木齊在這個國際網(wǎng)中占有舉足輕重的地位?！蔽覀儾粌H是歐洲網(wǎng)的重要成員，還參加了由美國航宇局 主持的17個國家的40多臺射電望遠鏡參加的全球地球動力 學計劃。特別可喜的是，我國已經(jīng)不僅僅參加國際VLBI網(wǎng)， 還在亞太地區(qū)VLBI網(wǎng)的建立和運轉(zhuǎn)中起到了主導作用。1996 年由中國科學院葉叔華院士倡導并啟動的亞太空間地球動 力學國際合作計劃，簡稱APSGo這個計劃有中、美、俄、澳、

9、日、韓、德、法、港等十幾個國家和地區(qū)的科學家參加，目 的是共同研究亞太地區(qū)地殼運動及形變、海平面變化以及火 山爆發(fā)和地震等災害的發(fā)生機理。以上海天文臺葉叔華、黃 等為主的研究人員，總共組織了4次亞太地區(qū)全球定位系統(tǒng)（GPS）和甚長基線射電干涉（VLBI）的聯(lián)測，首次發(fā)現(xiàn)地球 自轉(zhuǎn)速率變化對海洋的反作用，測得了亞太地區(qū)的地殼運動 速度場等等。這些結(jié)果對預測亞太地區(qū)的自然災害、保護人 類生存環(huán)境都具有特別重要的意義。目前我國正在積極籌建中國自己的VLBI網(wǎng)，用四臺射電 望遠鏡組成，除已有的上海和烏魯木齊的兩臺射電望遠鏡外， 還要在北京建造一臺口徑為50米的射電望遠鏡，在昆明建 造一臺口徑為40米的射電望遠鏡。這一國內(nèi)VLBI網(wǎng)將在上 海建立資料處理中心，不僅可以將其它三個臺站的觀測資料 送到這里來做相關(guān)處理，還可以在觀測時就把數(shù)據(jù)即時傳到 上海進行處理，并在我國第一個探月計劃中承擔測軌任務(wù)。觀測研究甚長基線干涉觀測不僅對天文學家有價值，而且對地球 物理學也很重要。在天文學的研究方面，觀測課題集中在射 電噴流、黑洞、射電源演化、銀河系和河外星系微波脈澤源、 引力透鏡、超新星遺跡、近處和遠處的星暴星系、暗弱射電 源特性，以及在活動星系核中的中性氫的吸收。對于測地研究，選擇遙遠