一、射電天文學的萌生和射電望遠鏡原理二、世界大型單天線射電望遠鏡三、綜合孔徑射電望遠鏡四、甚長基線干涉儀系統的發展五、我國射電天文望遠鏡第1頁/共40頁一、射電天文學的萌生和射電望遠鏡原理第1頁/共40頁11933年美國貝爾電話實驗室的央斯基發現銀河系中心發射來的無線電波。宣告射電天文學的誕生。1，射電天文的萌生一、射電天文學的萌生和射電望遠鏡第2頁/共40頁1933年美國貝爾電話1，射電天文的萌生一、射電天文學的萌生2銀河系結構1944年，美國無線電工程師雷伯，用業余時間，自己在家研制了一臺9.5米反射面射電望遠鏡（世界上第一臺）測出第一副射電天圖，驗證了央斯基的結果。第3頁/共40頁銀河系結構1944年，美國無線電工程師雷伯，用業余時間，自己3

第二次世界大戰中發展的雷達技術為戰后射電天文發展準備了絕好的條件（人員和技術）雷達接收系統就是射電望遠鏡。2，條件的成熟第4頁/共40頁第二次世界大戰中發展的雷達技術為戰后射電天文發展準備了絕好4射電望遠鏡結構天線＋接收器（放大器）＋數據采集（計算機）＋紀錄器3，射電望遠鏡原理第5頁/共40頁射電望遠鏡結構3，射電望遠鏡原理第5頁/共40頁51，全部是反射鏡；2，絕大多數是拋物面天線；3，少數是球面；4，部分天線采用主動光學技術；5，天線表面：金屬網；金屬板拼接；金屬板6，固定地面；全天可動；中星儀（仰角可動）4，射電望遠鏡天線的特點第6頁/共40頁1，全部是反射鏡；4，射電望遠鏡天線的特點第6頁/共40頁6

旋轉拋物面

與主軸平行的光，經反射后會聚到焦點每道光的路程都相等ABF＝CDF＝EGF＝HKF＝…

在焦點處電波相位相同

A收集光子能量，可確定天體方向第7頁/共40頁旋轉拋物面A收集光子能量，可確定天體方向第7頁/共40頁7提高分辨率和靈敏度的辦法1，建造大口徑天線，采用主動光學2，干涉技術：干涉儀綜合孔徑甚長基線干涉儀第8頁/共40頁提高分辨率和靈敏度的辦法1，建造大口徑天線，采用主動光學第88

為了提高望遠鏡的靈敏度和分辨率，20世紀50年代，英國一馬當先，建造大型射電望遠鏡美、澳、前西德也奮起直追。美國Arecibo305米射電望遠鏡德國Bonn100米射電望遠鏡美國GreenBank100×110射電望遠鏡

英國JodrellBank76米射電望遠鏡澳大利亞Parkes64米射電望遠鏡二，國際上大型射電望遠鏡第9頁/共40頁為了提高望遠鏡的靈敏度和分辨率，20世二，國際上大型射電望91，固定天線：美國Arecibo305米射電望遠鏡第10頁/共40頁1，固定天線：美國Arecibo305米射電望遠鏡第10頁102，全天可動天線

英國JodrellBank76米射電望遠鏡世界上第一個大型射電望遠鏡第11頁/共40頁2，全天可動天線英國JodrellBank第11頁/共4113，全天可動天線:澳大利亞64米射電望遠鏡第12頁/共40頁3，全天可動天線:澳大利亞64米射電望遠鏡第12頁/共40頁124，主動光學：德國Bonn100米口徑射電望遠鏡第13頁/共40頁4，主動光學：德國Bonn100米口徑射電望遠鏡第13頁/共13

望遠鏡天線表面如果和理想拋物面有差別，來自與拋物面主軸平行方向上的天體射電波不能會聚到焦點上。導致靈敏度和分辨率都變差；

建造大天線的困難：（1），天線表面要求高精度（2），大天線在自然條件下容易變形（重力、風力、溫度……）第14頁/共40頁望遠鏡天線表面如果和理想拋物面有差建造大天線的困難141，賴爾的故事1939年牛津大學物系畢業后就到劍橋大學卡文迪什實驗室從事雷達天線的研制。二戰時，應征入伍。曾從事有關雷達系統。戰后，回到卡文迪什實驗室，從事射電天文研究。發明綜合孔徑射電望遠鏡榮獲1974年諾貝爾物理學獎。三，綜合孔徑射電望遠鏡第15頁/共40頁1，賴爾的故事三，綜合孔徑射電望遠鏡第15頁/共40頁152,射電天文發展遇到的最大困難:分辨率非常低

射電厘米波段的波長比可見光要長10萬倍，相同口徑時，分辨率要差10萬倍。遠不如光學望遠鏡。射電望遠鏡無法像光學望遠鏡那樣獲得天體的照片。第16頁/共40頁2,射電天文發展遇到的最大困難:射電厘米波段的波長比可16射電望遠鏡超過光學望遠鏡

可能嗎？第17頁/共40頁射電望遠鏡超過光學望遠鏡第17頁/共40頁17天體電波投到天線，由傳輸線引到接收機進行相加，兩路電波的相位相同則增強，相反則抵消，即產生干涉；路程差BC隨天體的周日運動而變化，變化一個角度，可以使BC變化一個波長。3,雙天線干涉儀原理圖第18頁/共40頁天體電波投到天線，由3,雙天線干涉儀原理圖第18頁/共418

干涉儀大大提高分辨率

分辨率公式

（D為兩面天線之間的距離！）

取基線100千米，波長5厘米，分辨率為0.1角秒，達到大型光學望遠鏡的分辨率。進一步增加基線,就可以超過光學望遠鏡了。第19頁/共40頁干涉儀大大提高分辨率第19頁/共40頁194，綜合孔徑望遠鏡－－化整為零可以看成：1，許多基線長短不同的雙天線干涉儀

化整為零！2，資料處理：把各個雙天線干涉儀的資料合起來處理

聚零為整！第20頁/共40頁4，綜合孔徑望遠鏡－－化整為零可以看成：第20頁/共40頁20困難和突破：計算任務繁重，隨計算機技術發展

綜合孔徑原理在1954年已由實驗證實是正確的，但因要處理異常多的觀測數據，計算量特別大，在50年代還沒有儲存容量足夠大、計算速度足夠高和的計算機來完成資料的傅里葉變換。到了60年代隨著計算機的發展，綜合孔徑射電望遠鏡的發展才成為可能。第21頁/共40頁困難和突破：第21頁/共40頁2127面直徑26米的可移動拋物面天線,沿臂長為21千米Y形基線放置；最高分辨角為0.13角秒。美國的甚大陣（VLA）綜合口徑望遠鏡第22頁/共40頁27面直徑26米的可移動拋物面天線,沿臂長為美國的甚大陣（V22英國多天線微波連接干涉儀系統（MERLIN）1980年投入觀測

由7臺射電望遠鏡組成，用微波接力方法把信號送到總部，基線長度超過200千米。分辨率比美國甚大陣（VLA）提高了約一個數量級，達到0.01角秒。第23頁/共40頁英國多天線第23頁/共40頁23

取消饋線，兩面天線可以放得盡量的遠，故稱甚長基線干涉儀。分辨率可達毫角秒～微角秒。大大超過大型光學望遠鏡。已經實現洲際和空間甚長基線干涉網。四，甚長基線干涉儀

（超越綜合口徑）第24頁/共40頁取消饋線，兩面天線可以放得盡量的遠，四，甚長基線干涉儀第24

兩臺射電望遠鏡有獨立的接收機、本振（原子鐘）和記錄器；在記錄上打上原子鐘時標，保證同時觀測；用原子鐘做頻率標準，保證觀測同一波段；觀測結果事后由相關器處理。1，甚長基線干涉觀測原理第25頁/共40頁兩臺射電望遠鏡有獨1，甚長基線干涉第25頁/共40頁25

1980年聯合建立歐洲甚長基線干涉觀測網，簡稱EVN。歐洲網所覆蓋的地區還不夠大，邀請中國和南非參加，形成非常長基線的VLBI網。上海25米射電望遠鏡的加入，使基線長了3倍多；烏魯木齊射電望遠鏡的參加，使分布更合理，觀測精度提高了4-5倍。2,“名不副實”的歐洲網第26頁/共40頁1980年聯合建立歐洲甚長基線干涉觀測網，2,“名不副26名不副實的歐洲網第27頁/共40頁名不副實的歐洲網第27頁/共40頁273,美國甚長基線干涉陣（VLBA）(1993)10臺25米口徑射電望遠鏡一模一樣；從美國東部到西部的夏威夷，約8600千米；最短波長達到3.5mm第28頁/共40頁3,美國甚長基線干涉陣（VLBA）(1993)第28頁/28突破地球大小的限制日本甚長基線干涉空間觀測站（VSOP）1997年完成

口徑為8米的射電望遠鏡在太空，軌道周期約６小時，近地點為560千米，遠地點為21000千米。觀測波長18cm,6cm和1.3cm；4,甚長基線干涉空間觀測第29頁/共40頁突破地球大小的限制口徑為8米的射電望遠鏡在太空，軌道周期約295，分辨率比較

哈勃空間光學望遠鏡0.05角秒；射電甚長基線干涉網的觀測分辨率1～0.01毫角秒射電的最高分辨率超過光學望遠鏡的

5000倍！第30頁/共40頁5，分辨率比較哈勃空間光學望遠鏡0.05角秒；第3030

我國射電天文學始于1958年。從與蘇聯射電天文學家合作在海南島觀測日環食開始。

五，我國的射電望遠鏡1，北京懷柔太陽射電望遠鏡2-3，上海和烏魯木齊25米射電望遠鏡4，青海13.7米射電望遠鏡（毫米波）5，北京密云綜合孔徑射電望遠鏡6-7，北京50米和昆明40米射電望遠鏡8，上海65米9，新疆21厘米陣第31頁/共40頁我國射電天文學始于1958年。從與蘇聯射電天五，31正在建設或籌備中10，新疆80米（籌備）11，內蒙古射電日像儀（在建）12，貴州500米（FAST在建）13，中國80米天線陣（在努力之中）14，中國VLBI(最長基線3500千米)（完善中）第32頁/共40頁正在建設或籌備中10，新疆80米（籌備）第32頁/共40頁32北京密云50米口徑射電望遠鏡2006年建成，探月工程項目第33頁/共40頁北京密云50米口徑射電望遠鏡2006年建成，探月工程項目第333烏魯木齊25米射電望遠鏡（1993）甚長基線干涉觀測,是國際聯網觀測重要成員。也用來觀測脈沖星、分子譜線和6厘米波段的偏振巡天觀測。第34頁/共40頁烏魯木齊甚長基線干第34頁/共40頁34青海德林哈射電觀測站13.7米口徑毫米波射電望遠鏡(1990)望遠鏡在圓形保護罩里面，由于對射電波透明，觀測時不需要打開。這臺望遠鏡用于觀測宇宙分子譜線。第35頁/共40頁青海德林望遠鏡在圓形保護罩里面，由于對射電波透明，第35頁/35世界最大口徑射電望遠鏡500米（有效300米）比口徑100米射電望遠鏡可以提高一個數量級！貴州FAST（2016年）

投資近7億第36頁/共40頁世界最大口徑射電望遠鏡500米（有效300米）貴州FAST36美麗的小山村建設中的FAST第37頁/共40頁美麗的小山村建設中的FAST第37頁/共40頁37我國VLBI網，由四臺射電望遠鏡組成，基線>3500千米

上海和烏魯木齊的兩臺25米射電望遠鏡，

北京口徑50米和昆明40米口徑射電望遠鏡組成。第38頁/共40頁我國VLBI網，第38頁/共40頁38思考和復習題1，評說射電天文的誕生2，敘述單天線射電望遠鏡的結構和工作原理。3，什么是射電望遠鏡的靈敏度和分辨率？4，評述賴爾對射電天文學的貢獻，他成功的關鍵是什么？5，簡評我國射電望遠鏡的發展。第39頁/共40頁思考和復習題1，評說射電天文的誕生第39頁/共40頁39感謝您的欣賞第40頁/共40頁感謝您的欣賞第40頁/共40頁40一、射電天文學的萌生和射電望遠鏡原理二、世界大型單天線射電望遠鏡三、綜合孔徑射電望遠鏡四、甚長基線干涉儀系統的發展五、我國射電天文望遠鏡第1頁/共40頁一、射電天文學的萌生和射電望遠鏡原理第1頁/共40頁411933年美國貝爾電話實驗室的央斯基發現銀河系中心發射來的無線電波。宣告射電天文學的誕生。1，射電天文的萌生一、射電天文學的萌生和射電望遠鏡第2頁/共40頁1933年美國貝爾電話1，射電天文的萌生一、射電天文學的萌生42銀河系結構1944年，美國無線電工程師雷伯，用業余時間，自己在家研制了一臺9.5米反射面射電望遠鏡（世界上第一臺）測出第一副射電天圖，驗證了央斯基的結果。第3頁/共40頁銀河系結構1944年，美國無線電工程師雷伯，用業余時間，自己43

第二次世界大戰中發展的雷達技術為戰后射電天文發展準備了絕好的條件（人員和技術）雷達接收系統就是射電望遠鏡。2，條件的成熟第4頁/共40頁第二次世界大戰中發展的雷達技術為戰后射電天文發展準備了絕好44射電望遠鏡結構天線＋接收器（放大器）＋數據采集（計算機）＋紀錄器3，射電望遠鏡原理第5頁/共40頁射電望遠鏡結構3，射電望遠鏡原理第5頁/共40頁451，全部是反射鏡；2，絕大多數是拋物面天線；3，少數是球面；4，部分天線采用主動光學技術；5，天線表面：金屬網；金屬板拼接；金屬板6，固定地面；全天可動；中星儀（仰角可動）4，射電望遠鏡天線的特點第6頁/共40頁1，全部是反射鏡；4，射電望遠鏡天線的特點第6頁/共40頁46

旋轉拋物面

與主軸平行的光，經反射后會聚到焦點每道光的路程都相等ABF＝CDF＝EGF＝HKF＝…

在焦點處電波相位相同

A收集光子能量，可確定天體方向第7頁/共40頁旋轉拋物面A收集光子能量，可確定天體方向第7頁/共40頁47提高分辨率和靈敏度的辦法1，建造大口徑天線，采用主動光學2，干涉技術：干涉儀綜合孔徑甚長基線干涉儀第8頁/共40頁提高分辨率和靈敏度的辦法1，建造大口徑天線，采用主動光學第848

為了提高望遠鏡的靈敏度和分辨率，20世紀50年代，英國一馬當先，建造大型射電望遠鏡美、澳、前西德也奮起直追。美國Arecibo305米射電望遠鏡德國Bonn100米射電望遠鏡美國GreenBank100×110射電望遠鏡

英國JodrellBank76米射電望遠鏡澳大利亞Parkes64米射電望遠鏡二，國際上大型射電望遠鏡第9頁/共40頁為了提高望遠鏡的靈敏度和分辨率，20世二，國際上大型射電望491，固定天線：美國Arecibo305米射電望遠鏡第10頁/共40頁1，固定天線：美國Arecibo305米射電望遠鏡第10頁502，全天可動天線

英國JodrellBank76米射電望遠鏡世界上第一個大型射電望遠鏡第11頁/共40頁2，全天可動天線英國JodrellBank第11頁/共4513，全天可動天線:澳大利亞64米射電望遠鏡第12頁/共40頁3，全天可動天線:澳大利亞64米射電望遠鏡第12頁/共40頁524，主動光學：德國Bonn100米口徑射電望遠鏡第13頁/共40頁4，主動光學：德國Bonn100米口徑射電望遠鏡第13頁/共53

望遠鏡天線表面如果和理想拋物面有差別，來自與拋物面主軸平行方向上的天體射電波不能會聚到焦點上。導致靈敏度和分辨率都變差；

建造大天線的困難：（1），天線表面要求高精度（2），大天線在自然條件下容易變形（重力、風力、溫度……）第14頁/共40頁望遠鏡天線表面如果和理想拋物面有差建造大天線的困難541，賴爾的故事1939年牛津大學物系畢業后就到劍橋大學卡文迪什實驗室從事雷達天線的研制。二戰時，應征入伍。曾從事有關雷達系統。戰后，回到卡文迪什實驗室，從事射電天文研究。發明綜合孔徑射電望遠鏡榮獲1974年諾貝爾物理學獎。三，綜合孔徑射電望遠鏡第15頁/共40頁1，賴爾的故事三，綜合孔徑射電望遠鏡第15頁/共40頁552,射電天文發展遇到的最大困難:分辨率非常低

射電厘米波段的波長比可見光要長10萬倍，相同口徑時，分辨率要差10萬倍。遠不如光學望遠鏡。射電望遠鏡無法像光學望遠鏡那樣獲得天體的照片。第16頁/共40頁2,射電天文發展遇到的最大困難:射電厘米波段的波長比可56射電望遠鏡超過光學望遠鏡

可能嗎？第17頁/共40頁射電望遠鏡超過光學望遠鏡第17頁/共40頁57天體電波投到天線，由傳輸線引到接收機進行相加，兩路電波的相位相同則增強，相反則抵消，即產生干涉；路程差BC隨天體的周日運動而變化，變化一個角度，可以使BC變化一個波長。3,雙天線干涉儀原理圖第18頁/共40頁天體電波投到天線，由3,雙天線干涉儀原理圖第18頁/共458

干涉儀大大提高分辨率

分辨率公式

（D為兩面天線之間的距離！）

取基線100千米，波長5厘米，分辨率為0.1角秒，達到大型光學望遠鏡的分辨率。進一步增加基線,就可以超過光學望遠鏡了。第19頁/共40頁干涉儀大大提高分辨率第19頁/共40頁594，綜合孔徑望遠鏡－－化整為零可以看成：1，許多基線長短不同的雙天線干涉儀

化整為零！2，資料處理：把各個雙天線干涉儀的資料合起來處理

聚零為整！第20頁/共40頁4，綜合孔徑望遠鏡－－化整為零可以看成：第20頁/共40頁60困難和突破：計算任務繁重，隨計算機技術發展

綜合孔徑原理在1954年已由實驗證實是正確的，但因要處理異常多的觀測數據，計算量特別大，在50年代還沒有儲存容量足夠大、計算速度足夠高和的計算機來完成資料的傅里葉變換。到了60年代隨著計算機的發展，綜合孔徑射電望遠鏡的發展才成為可能。第21頁/共40頁困難和突破：第21頁/共40頁6127面直徑26米的可移動拋物面天線,沿臂長為21千米Y形基線放置；最高分辨角為0.13角秒。美國的甚大陣（VLA）綜合口徑望遠鏡第22頁/共40頁27面直徑26米的可移動拋物面天線,沿臂長為美國的甚大陣（V62英國多天線微波連接干涉儀系統（MERLIN）1980年投入觀測

由7臺射電望遠鏡組成，用微波接力方法把信號送到總部，基線長度超過200千米。分辨率比美國甚大陣（VLA）提高了約一個數量級，達到0.01角秒。第23頁/共40頁英國多天線第23頁/共40頁63

取消饋線，兩面天線可以放得盡量的遠，故稱甚長基線干涉儀。分辨率可達毫角秒～微角秒。大大超過大型光學望遠鏡。已經實現洲際和空間甚長基線干涉網。四，甚長基線干涉儀

（超越綜合口徑）第24頁/共40頁取消饋線，兩面天線可以放得盡量的遠，四，甚長基線干涉儀第64

兩臺射電望遠鏡有獨立的接收機、本振（原子鐘）和記錄器；在記錄上打上原子鐘時標，保證同時觀測；用原子鐘做頻率標準，保證觀測同一波段；觀測結果事后由相關器處理。1，甚長基線干涉觀測原理第25頁/共40頁兩臺射電望遠鏡有獨1，甚長基線干涉第25頁/共40頁65

1980年聯合建立歐洲甚長基線干涉觀測網，簡稱EVN。歐洲網所覆蓋的地區還不夠大，邀請中國和南非參加，形成非常長基線的VLBI網。上海25米射電望遠鏡的加入，使基線長了3倍多；烏魯木齊射電望遠鏡的參加，使分布更合理，觀測精度提高了4-5倍。2,“名不副實”的歐洲網第26頁/共40頁1980年聯合建立歐洲甚長基線干涉觀測網，2,“名不副66名不副實的歐洲網第27頁/共40頁名不副實的歐洲網第27頁/共40頁673,美國甚長基線干涉陣（VLBA）(1993)10臺25米口徑射電望遠鏡一模一樣；從美國東部到西部的夏威夷，約8600千米；最短波長達到3.5mm第28頁/共40頁3,美國甚長基線干涉陣（VLBA）(1993)第28頁/68突破地球大小的限制日本甚長基線干涉空間觀測站（VSOP）1997年完成

口徑為8米的射電望遠鏡在太空，軌道周期約６小時，近地點為560千米，遠地點為21000千米。觀測波長18cm,6cm和1.3cm；4,甚長基線干涉空間觀測第29頁/共40頁突破地球大小的限制口徑為8米的射電望遠鏡在太空，軌道周期約695，分辨率比較

哈勃空間光學望遠鏡0.05角秒；射電甚長基線干涉網的觀測分辨率1～0.01毫角秒射電的最高分辨率超過光學望遠鏡的

5000倍！第30頁/共40頁5，分辨率比較哈勃空間光學望遠鏡0.05角秒；第3070

我國射電天文學始于1958年。從與蘇聯射電天文學家合作在海南島觀測日環食開始。

五，我國的射電望遠鏡1，北京懷柔太陽射電望遠鏡2-3，上海和烏魯木齊25米射電望遠鏡4，青海13.7米射電望遠鏡（毫米波）5，北京密云綜合孔徑射電望遠鏡6-7，北京50米和昆明40米射電望遠