现代天文学与诺贝尔物理学奖讲义 第3章提要

第三章射电天文和综合孔径射电望远镜

1，大气窗口

2，射电天文学

3，射电天文学面临的困难

4，射电干涉仪

5，综合孔径射电望远镜

本章要求

1，地球大气辐射窗口与天文学观测；

2，射电望远镜抛物面天线的功能；

3，天文望远镜分辨率公式（要记住）及射电望远镜面临的困难；

4，提高射电望远镜分辨率的方法（只要求定性的了解干涉仪和综合孔径射电望远镜的原理）；

5，赖尔为什么会获得诺贝尔物理学奖？

赖尔，英国天文学家，因发明综合孔径射电望远镜及射电源观测方面的贡献获1974年诺贝尔奖。这次奖由赖尔和休伊什分享。

综合孔径射电望远镜的特点：

非常高的灵敏度

非常高的空间分辨率

可以成象获得天体的图象

可与光学望远镜媲美

1，大气窗口

地球大气有两个窗口，允许可见光和无线电两个波段通行无阻地到达地面。天文学家把天体的无线电波段称为射电波段。天文学家只是近几十年前才利用射电波段这个窗口。射电天文这种新的观测手段一出现，就显示出极大的优越性。红外、紫外、X射线和伽瑪射线被大气层所阻隔，必须把红外、紫外、X射线和

伽瑪射线探测设备放入太空轨道才能发挥功用。哈勃空间望远镜是光学望远镜，是为了克服大气抖动所造成的分辨率的限制。

可見光、紅外线、无线电波等等，全部属于电磁波。所有电磁波在真空中皆以同一速度传播(光速﹐c = 299792450米/秒)。在真空中﹐电磁波的传播速度(c)、波長和频率，有以下的简单关系：

(波長) ×(频率) = c

光的颜色是由光的频率所決定。

2，射电天文学

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。不久，美国射电天文学家雷伯用直径9.45米抛物面天线射电望远镜证实。第二次世界大战期间，雷达和反雷达以及通讯技术发展很快。英国的海伊对一起曾使英国军用雷达受到干扰的重大事件进行分析后发现，太阳上发生的射电爆发是这一事件的罪魁祸首。

天文观测要求：

能接收到来自天体的微弱辐射，要求有很高的灵敏度。能看清天体的细节，要求有很高的空间分辨率。

射电望远镜：

天线＋接收器（放大器）＋数据采集（计算机）＋纪录器

旋转抛物面

对于与主轴平行

的光，经反射后会聚

到焦点每道光的路程

都相等

ABF＝CDF＝

EGF＝HKF＝

…

在焦点处

电波相位相同

抛物面天线的作用之一：收集能量

有人以为大型望远镜可以把天体放得很大。大望远镜的作用並不是要把天体图象放得很大，而是要提供一個较亮和较清晰的影像。（恒星只是一个亮点） 只要一個物体足夠明亮，无论距离多远都可以看到。

灵敏度的定义 ：最小可测流量密度

天线面积越大，灵敏度越高。

射电流量密度单位：央斯基＝10－26尔格/ 秒·赫兹·米2

弱射电源：10－4央斯基

抛物面天线的作用之二：方向性

来自与抛物面主轴平行方向上的天体射电波经抛物面反射后会聚到焦点，凡偏离主轴方向较多的射电波都不会会聚到焦点处的“ 馈源”上，因此这类射电望远镜只能接收到来自主轴方向附近一个角度的电磁波，这个角称为分辨角。分辨角越小，则分辨率越高。

D λ

θ22.1=

分辨角（θ）和波长（λ）成正比，和望远镜的口径（D ）成反比。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。口径10厘米的光学望远镜，观测波长为5500埃（埃＝10－8厘米）时，分辨角为1.4角分，而射电望远镜，在波长为5.5厘米观测波段上的分辨角要达到1.4角分，则要求射电望远镜天线的口径达到10千米，比光学望远镜的口径大10万倍。而且，还要求抛物面天线的表面精度达到1/20波长（ 3毫米）。

国际上大型射电望远镜

美国Arecibo 305米射电望远镜

德国Bonn 100米射电望远镜

英国Jodrell Bank76米射电望远镜

澳大利亚Parkes64米射电望远镜

我国已有的射电望远镜

乌鲁木齐25米射电望远镜

上海25米射电望远镜

青海13.7米射电望远镜（毫米波）

北京怀柔太阳射电望远镜

北京密云综合孔径射电望远镜

在预研究中的

贵州大型射电望远镜，口径500米，世界上最大。反射面能自动调节为抛物面，比Arecibo的球面反射面先进。

竞争1平方千米射电望远镜

21世纪国际大合作

中国方案：约30面口径300～500米Arecibo型大天线组成。

3，射电天文学面临的困难

射电天文面临的最大困难是射电望远镜分辨率远不如光学望远镜，无法看清天体的细节。无法像光学望远镜那样获得天体的照片。

射电天文学发展初期的射电望远镜的口径都比较小，由于分辨率低下，不能把相邻的几个射电源分辨清楚，不可能得到一个射电源结构的信息。

建造大型天线以提高分辨率的办法遇到不可逾越的困难。

射电天文学的发展要求另找出路！射电天文学家要使射电望远镜的分辨率到达甚至超过光学望远镜并也能成象的“梦想”能实现吗？

回答是肯定的。赖尔他们先驱性的研究为实现这一目标奠定了坚实的基础。

赖尔的故事

赖尔1881年9月27日生于英格兰，祖父是天文爱好者，有一台天文望远镜，幼年的他就喜爱上天文。中学时他对无线电学产生了浓厚的兴趣，成为业余无线电爱好者。

赖尔进人牛津大学攻读物理，1939年，他一毕业就到卡文迪什实验室从事雷达天线的研制。第二次世界大战期间，赖尔应征入伍。他的无线电专长曾帮助他立下了战功。曾从事研制机载雷达天线系统，研制厘米波雷达的测试设备，还参与研制干扰德国预警雷达的发射机等。

二战结束后，赖尔回到剑桥大学卡文迪什实验室，从事射电天文研究。他面临巨大的困难，但却也获得了绝好的机遇，他们从事的是一项开创性研究工作，一项开辟新领域的工作。

因战争需要发展起来的雷达技术为射电天文的诞生准备了条件。战后，一些雷达科技人员转向天文学研究，把雷达技术用于射电望远镜的研制，开始天文观测研究。赖尔就是其中最杰出的代表。

射电源光学对应体的确认

发现的新射电源是什么？首先就是要寻找它有没有光学对应体。但是，由于当时的射电望远镜的分辨能力太差，分辨角只能达到几角分，甚至几度。在这个空间范围内包含了许多光学天体，根本无法确认和哪一个对应。

只有当射电望远镜

的分辨能力达到角秒级

时，这种寻找光学对应

体的工作才能进行。

4，射电干涉仪

由两面抛物面天线

构成天体电波投到天线，

由传输线引到接收机进

行相加（干涉）干涉的

结果取决于两路电波到