什么是射电天文?(上)

珠海天协2020-09-10 14:14:22



射电天文的简介 


从人类诞生在这个世界上开始,就已经将目光投向了夜空。然而,受视野所限,人们仅仅能够观测到非常窄的波长范围。想象一下,如果我们的眼睛能感知到电磁频谱的其他部分,眼前的夜空又会是什么样子呢?


由于我们的眼睛局限于光学系统,因此我们必须使用其他手段来检测天空中不断传播的并且可用的丰富信息。这个天文学分支被称为射电天文学


宇宙中的许多物体都会发射无线电波在无线电波区域中看到的物体“视图”,与可见光区域中看到的大不相同。这意味着与光发射相比,无线电发射遵循不同的规则。


比较研究物体不同波长的辐射,可以向我们展示很多信息,而这些信息与宇宙的进程有密切关系。


举个例子,这里有三种不同波长的太阳图像

美国国家航空和宇宙航行局的网站上可以获得太阳每天不同波长的图像,例如上面这些。


从上图可以明显看出,太阳在三种波长之下,形态各不相同。通过结合三幅图像获得的信息,天文学家可以研究太阳的许多方面,例如太阳黑子,太阳耀斑和突起,以及其他太阳表层活动。


射电望远镜结构


射电望远镜主要是正馈式主焦点或卡塞格伦反馈式。它看起来与光学望远镜有很大不同,射电望远镜的角分辨率(即望远镜可以收集发射的天空的角度区域)与无线电波长跟天线直径成正比。因此,为了使射电望远镜能够探测与光学望远镜相同的角分辨率,射电望远镜必须大得多。另外,望远镜的灵敏度或检测弱发射的能力也与反射面的面积有关。


一个射电望远镜有四个基本元件,主反射器子反射器馈电系统接收器


主反射器从天文来源收集信息。次反射器是将无线电信号引导到反射器中心处的馈源振子的表面。馈源后面是接收器系统(在卡塞格伦聚焦点)。接收器放大无线电信号,选择检测信号的适当频率范围。


(上图为四组不同频率通道的滤波和放大器。数据观测时需要通过选择合适观测频率来实现,Z.H.Wang提供设计)


射电望远镜通常具有一个大的抛物线形金属盘,将无线电波反射到靠近主焦点的副反射器。来自天线的信号被发送到放大器,微弱的无线电信号得以放大,然后由计算机处理。在整个放大过程中,通过配置接收器,使信号保持与入射辐射的强度成正比。这样,所得到的图像或光谱是来自天文来源的辐射的真实表示。以下图片是射电望远镜的示意图。


(上图的“小奶猫射电望远镜”设计和制造是由LITTLE.zhi和Z.H.Wang完成。)



射电信号的来源:

•    太阳系-太阳, 行星

•    银河系-新恒星的形成区域, 已存在的恒星, 超新星残骸

•    银河系外的 - 类星体, 射电喷流

•    分子



太阳


    

光学波段▲

无线电波段▲

X射线波段▲

上图太阳在无线电波段下的观测

(这是VLA射电望远镜阵在1.4GHz波段下的成像,1.4G波段是著名的21CM中性氢频谱。)



土星


  无线电波段▼                       红外波段▼

   光学波段▲                          紫外波段▲

  


猎户座大星云新恒星的诞生地


   无线电波段▼                      红外波段▼

   光学波段▲                        X射线波段▲



蟹状星云: 一颗在1054年死亡的恒星


无线电波段▲

光学波段▲

X射线波段▲



仙后座A一颗在1700年死亡的恒星


  无线电波段▼                         红外波段▼

   光学波段 ▲                      X射线波段▲




射手座A星系中心的神秘区域


光学波段▼

无线电 波段下的观测(如图VLA射电望远镜阵在2CM波段下的成像。 2cm波长大约是15GHz)

 



光学和射电天文学之间的差异

光学和射电天文学有许多不同之处。光学和射电天文学都使用望远镜然而,在光学望远镜和射电望远镜之间的设计上有很大的差别。


三个主要区别是:仪器的设计,找到的结果数据以及可见的不同来源。光学天文学是研究电磁波谱的可见部分,即约400纳米(紫色)至700纳米(红色)的波长。而无线电波长更长无线电频谱范围从大约一毫米到几百米。这意味着光子具有比无线电光子高得多的能量。这种光子属性影响着人们检测它们的方式。


电磁频谱图


(从上图我们可以看出在整个电磁频谱里面光学波段只是其中很小一段范围


电荷耦合器件(CCD)的光学检测器检测撞击检测器表面的单个光子。光子撞击在探测器中产生响应——这种响应与撞击表面的光子数量成正比。在某些情况下,可以计算光子。结果是产生光子的源的强度的量度。这种检测机制(称为“相干检测”)在无线电光子上不起作用:这些光子携带的能量太低,而不能在检测器中引起反应。


所以在射电天文学中使用了“不连贯”的探测技术。简而言之,接收器现在将检测无线电波的波动性质,而不是光子性质。这意味着人们不是计算无线电光子的数量,而是获得有关波的相位和振幅的信息。


夜空中没有明亮的星星是突出的无线电发射源。射电天文学测量的辐射不是来自恒星,而是来自气体等。可以看出,这些观点彼此非常不同。


室女座A隐藏的巨大黑洞喷射出一股巨大的喷射流


光学波段▼

无线电波段▲


无线电天空不受来自恒星的光的支配,并且取决于波长,可能不受热辐射的支配。在短的无线电波长处,热辐射源占据了天空的主导地位,而在长的无线电波长处,天空以非热辐射源为主。


在无线电天空中,还有持续发射和线路发射的来源。无线电线路发射的一个例子是中性原子氢的21厘米线。在长波长处,发射主要来自同步辐射源,例如脉冲星,超新星残留物,无线电星系和类星体。在短波长处,发射主要受热源影响。小的热源如恒星可以被检测到,但不是排放的重要组成部分。诸如星际介质的气体和尘埃云以及诸如HII地区之类的大型热源和大型冷源是重要的排放源。




未完待续......


主编:肖璇

技术指导:LITTLE.zhi,Z.H.Wang

翻译:李艺逸

排版:F

不要脸强行路过:Xx


资料来源:MIT Haystack Observatory