甚长基线干涉射电望远镜的发明和欧洲网

1、甚长基线干涉射电望远镜的发明和欧洲网英国的多天线微波连接干涉仪网（MERLIN）把基线扩大 到200多千米，使射电望远镜的分辨率超过独领风骚的哈勃 空间望远镜。但是，能不能更上一层楼，把天线的基线再拉 长，长到相当于地球直径的1万多千米，把射电望远镜的等 效大天线做成与地球一样大，甚至突破地球的限制，把基线 扩展到空间？甚长基线干涉技术的发展已经实现了这个天 方夜谭式的美梦。国际甚长基线干涉观测早已突破双天线干涉仪的形式， 由一个国家、一个地区，甚至全世界范围的大、中型射电望 远镜组成一个网。按照严密的计划对同一个射电源进行观测。 不仅分辨率高，还可以成像。欧洲甚长基线干涉网是目前世 界上分辨

2、率最高、最灵敏的，它不仅包括好几个欧洲的特大 型单天线射电望远镜，还邀请了中国和南非参加，使基线扩 大了好几倍。甚长基线干涉射电望远镜的原理高分辨率是天文学家追求的目标，在理论上干涉仪的两 面天线间距可以达到几百千米、几千千米甚至几万千米，那 么分辨率就可以提高几万倍，甚至几十万倍。但是如何实现 各个射电望远镜之间的连接是一个难题，用馈线连接或是微 波接力的方式都不行。天文学家想出的办法是：取消任何连 接。用一种神奇的干涉仪叫做甚长基线干涉，简称VLBI来实 现各个望远镜之间的连接，就是让多面相距特别遥远的射电 望远镜同时观测同一个射电源，各自独立地把观测到的信号 记录在磁带上，然后把各台射电

3、望远镜的资料拿到一起，用 一台相关器进行处理，得到干涉观测结果。其中关键的技术 是把极端稳定的原子钟应用到干涉观测。如果两台射电望远镜记录在磁带上的信号是同一个射 电源、同一时刻发出、同一频段信号，把这两个信号数据流 输入相关处理器，就能产生干涉。实现这“三个相同”后， 用记录在两个磁带上的信号相加与用馈线传送信号到一起 后相加的效果完全一样。天线对准同一个射电源容易做到， 同时观测则利用极端准确的原子钟在磁带记录上打上极其 精确的时间标记来解决。接收到相同的频段的射电波也由原 子钟来实现。射电望远镜天线接收到天体的射电辐射后，经过低噪声 的放大器放大，由变频器将频率从高频降至中频。变频器的

4、主要部件是本机振荡器，天体射电波的频率和本机振荡的频 率相减就是变换后的频率。一般的射电干涉仪多台望远镜使 用同一个本机振荡器，如果本机振荡器的频率不稳，各台射 电望远镜接收的频率同步地变化，就能保证各台射电望远镜 接收的是相同的频段。甚长基线干涉仪取消馈线连接，每台 射电望远镜都有自己的本机振荡器，如果它不稳定，其后果 就致命了。好在原子钟的频率极端稳定，氢原子钟的频率稳 定度已经达到10-14，甚至10-15。应用原子钟作为本机振荡 器，解决了这个困难。各个射电望远镜按照统一的计划对同一个天体进行观 测，把天体信号记录在磁带上，相关处理器把各个单元观测 的数据进行相关处理，获得强弱相间的干

5、涉条纹。干涉条纹 包含了很多天体的信息，应用多种软件进行分析后便得到高 分辨率的射电源图像。欧洲甚长基线干涉网早在20世纪60年代末，甚长基线干涉技术就已经开始 发展，在1970年1971年进行的实验观测到射电源运动的 视超光速现象，成为VLBI新技术得到的最令人兴奋的成果之 一。幅员广阔的发达国家相继建立起自己的VLBI系统。但是， 突破国家的局限，建立一个地区，甚至全世界范围的大、中 型射电望远镜组成一个网也已成为潮流。欧洲地区的国家最 感迫切，率先于1980年组织欧洲网（EVN）。创建时有德国、 意大利、荷兰、瑞典和英国的射电天文台，以及德国波恩大 学的测地系，总部设在荷兰，很快就扩展至

6、欧洲各国。欧洲网所覆盖的地区还不够大，分辨率不高。因此对我 国上海和乌鲁木齐的25米射电望远镜特别感兴趣，力邀参 加欧洲网。欧洲网扩大到了亚洲，还有非洲的南非，形成具 有非常长基线的VLBI网，成为世界上分辨率和灵敏度最高的 VLBI 网。VLBI欧洲网与英国的MERLIN组合，并还常与美国的 VLBA同时观测，组合成全球VLBI，在高于6GHz以上的频段 上，可以获得亚毫角秒的分辨率。欧洲网还参加日本的空间 VLBI,成为它的地面站之一。全世界的VLBI还曾联合起来组成 一个地球大小的“特大型射电望远镜”，在同一时间进行观 测。属于一个网中的甚长基线干涉仪的接收系统和记录终 端都是采用统一标

7、准，目的是要进行联网观测，要升级，大家一起升级。现在应用的系统已经从MarkII逐步发展到MarkV 了。有了射电望远镜、接收机、记录终端、原子钟， 就可以组织成一个甚长基线干涉观测的单元，可以参加国际 的联测。但是，记录的观测数据要送到国际联测的数据处理 中心去统一处理，处理中心备有相关处理器和多种软件系统。欧洲网的观测按照统一的计划进行，每1年分为3个观 测期，每期34星期，一般地用34个波段进行观测。观 测课题的申请要经过专门的委员会审查通过才能分配到观 测时间。中国的甚长基线干涉网我国上海和乌鲁木齐的两台25米射电望远镜以其巨大 的地理位置的优势跻身于世界之林。以在欧洲网中的地位来 说

8、，上海25米口径射电望远镜的加入，使基线长了 3倍多， 提高分辨率3倍多。乌鲁木齐25米射电望远镜处在欧亚大 陆连接点，特殊的地理位置，使欧洲VLBI网观测精度提高了 45倍。欧洲网联合研究所所长高度评价说：“上海和乌鲁 木齐在这个国际网中占有举足轻重的地位。”我们不仅是欧洲网的重要成员，还参加了由美国航宇局 主持的17个国家的40多台射电望远镜参加的全球地球动力 学计划。特别可喜的是，我国已经不仅仅参加国际VLBI网， 还在亚太地区VLBI网的建立和运转中起到了主导作用。1996 年由中国科学院叶叔华院士倡导并启动的亚太空间地球动 力学国际合作计划，简称APSGo这个计划有中、美、俄、澳、

9、日、韩、德、法、港等十几个国家和地区的科学家参加，目 的是共同研究亚太地区地壳运动及形变、海平面变化以及火 山爆发和地震等灾害的发生机理。以上海天文台叶叔华、黄 等为主的研究人员，总共组织了4次亚太地区全球定位系统（GPS）和甚长基线射电干涉（VLBI）的联测，首次发现地球 自转速率变化对海洋的反作用，测得了亚太地区的地壳运动 速度场等等。这些结果对预测亚太地区的自然灾害、保护人 类生存环境都具有特别重要的意义。目前我国正在积极筹建中国自己的VLBI网，用四台射电 望远镜组成，除已有的上海和乌鲁木齐的两台射电望远镜外， 还要在北京建造一台口径为50米的射电望远镜，在昆明建 造一台口径为40米的射电望远镜。这一国内VLBI网将在上 海建立资料处理中心，不仅可以将其它三个台站的观测资料 送到这里来做相关处理，还可以在观测时就把数据即时传到 上海进行处理，并在我国第一个探月计划中承担测轨任务。观测研究甚长基线干涉观测不仅对天文学家有价值，而且对地球 物理学也很重要。在天文学的研究方面，观测课题集中在射 电喷流、黑洞、射电源演化、银河系和河外星系微波脉泽源、 引力透镜、超新星遗迹、近处和远处的星暴星系、暗弱射电 源特性，以及在活动星系核中的中性氢的吸收。对于测地研究，选择遥远