上海65米射電望遠鏡（天馬望遠鏡）

2020年12月1日，重達900噸的接收平臺及相關結(jié)構(gòu)從百余米高空砸到了阿雷西博望遠鏡的主反射面上，望遠鏡徹底毀壞。好在，由于政府此前就已決定拆除阿雷西博，科學家和工程師也已經(jīng)撤離，這次垮塌事故沒有造成任何人員傷亡。

就這樣，“美國天眼”阿雷西博望遠鏡以一種不算圓滿的方式結(jié)束了自己的使命。阿雷西博射電望遠鏡建成于1963年，口徑達到了305米，在“中國天眼”500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）建成之前，始終是全球最大的單孔徑望遠鏡。

在服役的這57年里，阿雷西博可謂是戰(zhàn)功赫赫。它發(fā)現(xiàn)了水星自轉(zhuǎn)周期、第一個脈沖雙星系統(tǒng)、第一個毫秒脈沖星，證明了中子星的存在，甚至還代表我們?nèi)祟愊蚯驙钚菆FM13發(fā)送了一串由1 679個二進制數(shù)字組成的信號。如果有外星文明收到了這個信號并準確識別，他們將會知曉我們?nèi)祟愡@個智慧種族的存在。此外，阿雷西博射電望遠鏡的身影還出現(xiàn)在了大熒幕上，在《007之黃金眼》《超時空接觸》等電影中都有亮相。

然而，這一切都在垮塌事故的一聲巨響中成為了歷史，這怎能不令人扼腕嘆息？好在，以FAST和上海65米射電望遠鏡（天馬望遠鏡）為代表的中華利器已經(jīng)接過了探索宇宙的接力棒，它們必將開拓嶄新的未來。本文的主人公正是上海65米射電望遠鏡。不過，要想深入了解這位主人公，首先還得知道一些背景知識，比如：什么是射電？什么是射電望遠鏡？同樣是射電望遠鏡，上海65米射電望遠鏡和FAST、阿雷西博有何不同？射電望遠鏡有什么重要意義？射電望遠鏡的研制又要解決哪些困難？別著急，下文將一一道來。

射電天文學的前世今生

所謂“射電”，其實就是無線電，英文為Radio。你一定也認出了，這個詞還有一個更常見的意思，那就是“收音機”。收音機接收的其實就是無線電，它在收到這些信號后，進行一番解調(diào)制，然后播放出來，就有了我們能聽到的內(nèi)容。射電望遠鏡的基本原理和收音機類似，也是接收無線電信號，再通過解調(diào)制等手段處理信號，最后形成圖像。因此，如果說我們更熟悉的光學望遠鏡是在“觀看”宇宙，那么射電望遠鏡更像是在“傾聽”宇宙。

上海65米射電望遠鏡

1931年，美國無線電工程師卡爾?央斯基（Karl Guthe Jansky）利用天線陣列和接收器收到了來自銀河系中心方向的無線電信號，這就是射電天文學的開端。20世紀30年代末40年代初，美國人格羅特?雷伯（Grote Reber）用自制的9.45米口徑拋物面天線收集了銀河系的無線電信號，并繪制了第一張銀河系射電天圖。他的這架望遠鏡也當之無愧地成了人類歷史上第一架射電望遠鏡。此后，射電天文學和射電望遠鏡迅猛發(fā)展，取得了令人矚目的成果。尤其是20世紀60年代的四大天文學發(fā)現(xiàn)——脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機分子——均有射電望遠鏡不可替代的杰出貢獻，因而也被稱為“射電天文學四大發(fā)現(xiàn)”。如今，射電天文學已經(jīng)成為探索宇宙的一大前沿領域，擁有性能優(yōu)秀的射電望遠鏡更是天文強國的標志之一。

射電望遠鏡的結(jié)構(gòu)、性能標準及技術(shù)難點

射電望遠鏡種類繁多，既有像阿雷西博和FAST這樣“嵌”在某個地方且整體不可轉(zhuǎn)動的“大鍋”，也有像上海65米射電望遠鏡這樣可以360°轉(zhuǎn)動的全可動射電望遠鏡，還有由多個小望遠鏡構(gòu)成的綜合孔徑射電望遠鏡。不過，歸根到底，射電望遠鏡的基本結(jié)構(gòu)無外乎天線、接收機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、支撐結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)。

與光學望遠鏡一樣，射電望遠鏡的性能標準主要也是靈敏度和分辨率兩方面。此外，口徑越大——射電望遠鏡的口徑就是天線的直徑——靈敏度、分辨率就越高。因此，建造射電望遠鏡的一大目標就是盡可能地造得大。然而，研制這樣的天文觀測利器不可避免地要面臨諸多困難。例如，如何保證這些動輒上千噸的龐然大物在自由轉(zhuǎn)動的同時還能準確定位、跟蹤目標？如何克服自身重力以及環(huán)境因素導致的反射面形變？如何降低接收機的噪聲溫度以提高其靈敏度？如此種種，都是研制大型射電望遠鏡必須解決的技術(shù)難點。這些難點解決得越好，望遠鏡的性能也就越優(yōu)秀，就越可能取得更豐碩的研究成果。

上海65米射電望遠鏡的研制

上海65米射電望遠鏡，坐落于上海天馬山山腳下，因而又有“天馬望遠鏡”之稱。這座望遠鏡高70米，重2 700多噸，主反射面（也就是望遠鏡的大天線）口徑65米、面積約3 780平方米——“相當于9個標準籃球場大小”。這么大的反射面如果只是造成一整塊，那不可避免地會因各部分所受重力不均勻?qū)е路瓷涿嫫x理想狀態(tài)，從而影響觀測結(jié)果。為了解決這個問題，天馬望遠鏡使用了1 008塊高精度面板單元沿14圈拼裝而成，其中最大的一塊面板面積達到4.92平方米，最小的也有2.66平方米，且每塊面板的單元精度都達到0.1毫米。這就是說，天馬望遠鏡的主反射面就像一張大拼圖畫，由1 008塊大小不一、精度極高的小拼圖準確拼接而成。這是國內(nèi)大尺度高精度面板設計與制造技術(shù)的最高水平！

可是，光是這樣，仍然沒法達到要求。望遠鏡在跟蹤觀測目標的時候，不可避免地要轉(zhuǎn)動、改變俯仰角，隨之而來的重力變形仍舊會導致反射面偏離理想狀態(tài)，繼而影響觀測。一般來說，實際反射面偏離理想狀態(tài)的程度不能超過工作波長的1/20。而天馬望遠鏡的最短工作波長是7毫米（對應最高工作頻率為43吉赫），因此，設計要求，在任何情況下，實際反射面偏離理想反射面不得超過0.3毫米！0.3毫米是什么概念呢？雞蛋殼的平均厚度大概就是0.33毫米。也就是說，這塊面積將近4 000平方米、由1 008塊“小拼圖”拼成的反射面在工作狀態(tài)下，任何時刻都不能產(chǎn)生超過一個雞蛋殼厚的整體表面精度誤差！為此，天馬望遠鏡主反射面使用了國內(nèi)首創(chuàng)的主動調(diào)整技術(shù)。具體來說，就是“在每四塊面板單元相鄰角下與天線背架結(jié)構(gòu)的連接處安裝一臺促動器”，工作時，由觀測室的主控計算機根據(jù)天線實際形變情況實時控制各臺促動器進行微調(diào)，以保證觀測效率與質(zhì)量。這樣的促動器共計1 104臺，每一臺的定位精度都可以達到15微米——相當于一根頭發(fā)絲直徑的1/3左右。打個比方，主控計算機就像是大腦，1 008塊反射面板單元好比是一塊塊肌肉，而促動器則相當于連接、控制肌肉的神經(jīng)。大腦在得到肌肉反饋回來的信息后，通過神經(jīng)指揮肌肉做出微調(diào)，更好地完成動作。天馬望遠鏡正是通過這種“如臂使指”的方式克服了反射面形變帶來的影響，大大提高了觀測精度和效率。

反射面的形變問題解決了，可是，要想觀測到目標，還有一個技術(shù)難題需要解決，那就是如何精準定位、追蹤目標天體。畢竟，設備本身性能再優(yōu)秀，找不到或是跟不住觀測對象，那也是白搭。

前面已經(jīng)提到過，上海65米射電望遠鏡可以360°轉(zhuǎn)動。此外，仰角最大也可以變化90°之多。正是憑借水平方向上的大范圍轉(zhuǎn)動、仰角的大幅變化，上海65米望遠鏡才能主動觀測大面積天區(qū)——它可以跟蹤觀測當?shù)氐仄骄€5°以上的所有天體和航天器——而這也是它與FAST及阿雷西博的顯著區(qū)別之一：后兩者固定在某塊區(qū)域，無法轉(zhuǎn)動，也沒有仰角變化，只能依靠地球的自轉(zhuǎn)來觀測不同天區(qū)，因而在觀測面積和主動性上差了不少。不過，360°轉(zhuǎn)動和最高可達90°的仰角變化，也帶來了一些技術(shù)挑戰(zhàn)，其中最主要的一個，就是如何保證這個重達2 700多噸的大家伙在改變“姿勢”時保持穩(wěn)定和觀測精度、跟蹤精度。那么，這個精度要求到底是多少呢？設計要求，上海65米射電望遠鏡的指向誤差不能超過3″——連手表上秒針跳一次劃過角度的1/2700都不到！

為了達到這個要求，上海65米射電望遠鏡建造于特制的鋼筋混凝土地基上，安裝了直徑達到42米的方位鋼軌；方位鋼軌上還裝有負責承接、驅(qū)動天線的方位滾輪和驅(qū)動裝置。這就是望遠鏡能夠360°轉(zhuǎn)動，最高90°俯仰的關鍵所在。為了保證觀測精度，方位鋼軌采用無縫焊接技術(shù)，由30段單根軌道全焊接而成（這也是國內(nèi)首次實現(xiàn)全軌道焊接），整個軌道平面度達到0.5毫米。換句話說，這么大的方位軌道，最高處與最低處的高度誤差連大拇指指甲長度的1/4都不到！這就為望遠鏡的觀測精度奠定了堅實基礎。

說完了反射面、支撐結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)，就不得不提接收機了。反射面天線收集到信號之后就會把它們會聚到接收機上來。然而，接收機本身也會產(chǎn)生信號，這就是噪聲。噪聲的存在會嚴重影響望遠鏡的靈敏度。此外，接收機的噪聲與溫度有關，溫度越高，噪聲越大。因此，上海65米射電望遠鏡在所有波段都配備了高靈敏度致冷接收機，最大程度地降低了來自自身的熱噪聲，從而保證了靈敏度。

其實，除了上述技術(shù)難題之外，上海65米射電望遠鏡在研制過程中還碰到了各種大大小小的問題。我國科學家和工程師花費了巨大的心血、付出了巨大的努力才將其一一解決。在整個系統(tǒng)的研究和應用中，上海65米射電望遠鏡共獲得專利30余項，發(fā)表論文100余篇。望遠鏡的最高分辨率達到了22″。上海65米射電望遠鏡已成為全球前三、亞洲最大、性能優(yōu)越的全方位可動單孔徑大型射電望遠鏡。

上海65米射電望遠鏡的研究成果

上海65米射電望遠鏡的落成，改變了國內(nèi)只有中小型射電望遠鏡的局面，標志著我國射電天文學逐漸躋身國際領先水平。

自2012年年末建成并投入使用后，上海65米射電望遠鏡迅即成為國內(nèi)天文觀測的一大利器。它的身影出現(xiàn)在了諸多重點工程之中，比如大家耳熟能詳?shù)摹版隙稹惫こ?、“探火”任務。天馬望遠鏡在“嫦娥”工程中主要擔任“指路人”的角色，為探測器及月球車準確指引方向。在2012年的“嫦娥二號”小行星探測任務、2013年的“嫦娥三號”月球軟著陸任務、2014年的探月三期再入返回飛行試驗器任務、2018年的“嫦娥四號”中繼星和著陸巡視器VLBI測定軌任務、2020年的“嫦娥五號”VLBI測定軌任務中，上海65米射電望遠鏡都表現(xiàn)出色，很好地為“嫦娥”工程保駕護航。

除了服務國家航天任務之外，天馬望遠鏡在射電天文觀測研究（如分子譜線探測、脈沖星研究等）上也取得了諸多成果。

說到這里，你一定好奇VLBI是什么，畢竟這四個字母似乎總是在天文學方面的新聞里出現(xiàn)呢！

VLBI就是英文Very Long Baseline Interferometry的首字母縮寫，含義是“甚長基線干涉”技術(shù)。我們知道，望遠鏡的口徑是越大越好，可是建造像天馬望遠鏡這樣65米口徑的儀器已經(jīng)很難了，那要怎么進一步大幅提高望遠鏡的有效觀測口徑呢？正是為了解決這個問題，VLBI出現(xiàn)了。簡單來說，具體實踐方式是這樣的：多臺相距遙遠的射電望遠鏡各自獨立地同時在同一個波段觀測同一個目標，然后再將這些數(shù)據(jù)匯總起來，加以干涉處理，獲得結(jié)果。通過VLBI技術(shù)，有效觀測口徑就可以從單個望遠鏡的幾十米、幾百米，擴展到幾千千米。就拿指引“玉兔號”月球車展開月面探測的中國VLBI網(wǎng)來說，它由位于上海、北京、昆明、烏魯木齊的射電望遠鏡構(gòu)成，有效觀測口徑相當于3 000多千米，從而大幅提高了觀測精度和分辨率。那么，這個VLBI觀測網(wǎng)究竟有多精準呢?玉兔號月球車的長寬高也就是一米多，而地球與月球更是相距38萬千米之遙?？蓱{借我國的VLBI網(wǎng)，就可以在這么遠的距離上，監(jiān)測出玉兔號這個“小家伙”10厘米的移動，實在是太強大了！而上海65米射電望遠鏡正是這個VLBI網(wǎng)的重要成員，它的存在讓觀測網(wǎng)靈敏度上升了42%。不光如此，它還是歐洲VLBI網(wǎng)的成員，使其靈敏度提高了15%～35%。它更是東亞VLBI網(wǎng)當之無愧的核心望遠鏡。

除了服務國家航天任務之外，天馬望遠鏡在射電天文觀測研究（如分子譜線探測、脈沖星研究等）上也取得了諸多成果，例如：探測到了“北天周期最短的毫秒脈沖星”，發(fā)現(xiàn)了“銀心磁星”具有周期躍變現(xiàn)象等。

展望未來

毫無疑問，上海65米射電望遠鏡未來仍將在我國的探月四期任務、探測火星任務、探測深空任務等重大工程中發(fā)揮重要作用，也仍將在脈沖星觀測、分子譜線觀測、大質(zhì)量恒星演化、活動星系核、X射線源乃至黑洞的相關研究中大展拳腳。

除此之外，正是因為有了上海65米射電望遠鏡的成功研制經(jīng)驗和先進技術(shù)，110米口徑全可動射電望遠鏡項目（QTT）也已經(jīng)獲批。該項目選址于新疆昌吉州奇臺縣，因而也叫作奇臺望遠鏡。奇臺望遠鏡建成后，將成為世界上最大的全可動射電望遠鏡。

“美國天眼”阿雷西博望遠鏡雄踞射電望遠鏡之巔足足半個世紀有余，如今卻無奈慘淡收場。相較之下，我國的射電天文事業(yè)雖起步較晚，但靠著幾代人的努力，終于憑借上海65米射電望遠鏡和FAST這兩大天文觀測利器，成功躋身世界一流之列。這些大國重器是中華民族智慧與汗水的結(jié)晶。勤勞、勇敢、聰慧的中國人民也終將通過這些中華利器重現(xiàn)我國古代天文學曾經(jīng)擁有的榮光，并由此開拓更為燦爛的未來。