天文学概论2天文望远镜B.ppt

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1、1，光学望远镜有400年历史，射电望远镜约80年。当今的观测成就谁更辉煌？2，射电望远镜的分辨率公式与光学望远镜一样 当今的分辨率，谁高？,射电望远镜 PK 光学望远镜,答案,1，射电望远镜的观测成就更辉煌 10项天文诺贝尔物理学奖中 射电望远镜发明 1项 射电观测成果 4项 占502，射电望远镜的最高分辨率比 光学望远镜的最高分辨率强千倍 为什么？正是本讲要介绍的,一、射电天文学的萌生和射电望远镜原理二、世界大型单天线射电望远镜三、综合孔径射电望远镜四、甚长基线干涉仪系统的发展五、我国射电天文望远镜,1933年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。宣告射电天文学的诞生。,

2、1，射电天文的萌生,一、射电天文学的萌生和射电望远镜,银河系结构,1944年，美国无线电工程师雷伯，用业余时间，自己在家研制了一台9.5米反射面射电望远镜（世界上第一台）测出第一副射电天图，验证了央斯基的结果。,第二次世界大战中发展的雷达技术为战后射电天文发展准备了绝好的条件（人员和技术）雷达接收系统就是射电望远镜。,2，条件的成熟,射电望远镜结构天线接收器（放大器）数据采集（计算机）纪录器,3，射电望远镜原理,1，全部是反射镜；2，绝大多数是抛物面天线；3，少数是球面；4，部分天线采用主动光学技术；5，天线表面：金属网；金属板拼接；金属板6，固定地面；全天可动；中星仪（仰角可动）,4，射电望

3、远镜天线的特点,旋转抛物面 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ABFCDFEGFHKF 在焦点处电波相位相同,A,收集光子能量，可确定天体方向,提高分辨率和灵敏度的办法,1，建造大口径天线，采用主动光学2，干涉技术：干涉仪 综合孔径 甚长基线干涉仪,为了提高望远镜的灵敏度和分辨率，20世纪50年代，英国一马当先，建造大型射电望远镜美、澳、前西德也奋起直追。美国Arecibo 305米射电望远镜 德国Bonn 100米射电望远镜 美国Green Bank100110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,二，国际上大型射

4、电望远镜,1，固定天线：美国Arecibo 305米射电望远镜,2，全天可动天线 英国Jodrell Bank76米射电望远镜世界上第一个大型射电望远镜,3，全天可动天线:澳大利亚64米射电望远镜,4，主动光学：德国Bonn100米口径射电望远镜,望远镜天线表面如果和理想抛物面有差别，来自与抛物面主轴平行方向上的天体射电波不能会聚到焦点上。导致灵敏度和分辨率都变差；,建造大天线的困难：（1），天线表面要求高精度,（2），大天线在自然条件下容易变形（重力、风力、温度）,1，赖尔的故事1939年牛津大学物系毕业后就到剑桥大学卡文迪什实验室从事雷达天线的研制。二战时，应征入伍。曾从事有关雷达系统。战

5、后，回到卡文迪什实验室，从事射电天文研究。发明综合孔径射电望远镜荣获1974年诺贝尔物理学奖。,三，综合孔径射电望远镜,2,射电天文发展遇到的最大困难:分辨率非常低,射电厘米波段的波长比可见光要长10万倍，相同口径时，分辨率要差10万倍。远不如光学望远镜。射电望远镜无法像光学望远镜那样获得天体的照片。,射电望远镜超过光学望远镜 可能吗？,天体电波投到天线，由传输线引到接收机进行相加，两路电波的相位相同则增强，相反则抵消，即产生干涉；路程差BC随天体的周日运动而变化，变化一个角度，可以使BC变化一个波长。,3,双天线干涉仪原理图,干涉仪大大提高分辨率 分辨率公式（D为两面天线之间的距离！）取基线

6、100千米，波长5厘米，分辨率为0.1角秒，达到大型光学望远镜的分辨率。进一步增加基线,就可以超过光学望远镜了。,4，综合孔径望远镜化整为零,可以看成：1，许多基线长短不同的双天线干涉仪 化整为零！2，资料处理：把各个双天线干涉仪的资料合起来处理 聚零为整！,困难和突破：计算任务繁重，随计算机技术发展 综合孔径原理在1954年已由实验证实是正确的，但因要处理异常多的观测数据，计算量特别大，在50年代还没有储存容量足够大、计算速度足够高和的计算机来完成资料的傅里叶变换。到了60年代随着计算机的发展，综合孔径射电望远镜的发展才成为可能。,27面直径26米的可移动抛物面天线,沿臂长为21千米Y形基线

7、放置；最高分辨角为0.13角秒。,美国的甚大阵（VLA）综合口径望远镜,英国多天线微波连接干涉仪系统（MERLIN）1980年投入观测 由7台射电望远镜组成，用微波接力方法把信号送到总部，基线长度超过200千米。分辨率比美国甚大阵（VLA）提高了约一个数量级，达到0.01角秒。,取消馈线，两面天线可以放得尽量的远，故称甚长基线干涉仪。分辨率可达毫角秒微角秒。大大超过大型光学望远镜。已经实现洲际和空间甚长基线干涉网。,四，甚长基线干涉仪（超越综合口径）,两台射电望远镜有独立的接收机、本振（原子钟）和记录器；在记录上打上原子钟时标，保证同时观测；用原子钟做频率标准，保证观测同一波段；观测结果事后由

8、相关器处理。,1，甚长基线干涉观测原理,1980年联合建立欧洲甚长基线干涉观测网，简称EVN。欧洲网所覆盖的地区还不够大，邀请中国和南非参加，形成非常长基线的VLBI网。上海25米射电望远镜的加入，使基线长了3倍多；乌鲁木齐射电望远镜的参加，使分布更合理，观测精度提高了4-5倍。,2,“名不副实”的欧洲网,名不副实的欧洲网,3,美国甚长基线干涉阵（VLBA）(1993)10台25米口径射电望远镜一模一样；从美国东部到西部的夏威夷，约8600千米；最短波长达到 3.5 mm,突破地球大小的限制日本甚长基线干涉空间观测站（VSOP）1997年完成,口径为8米的射电望远镜在太空，轨道周期约小时，近地

9、点为560千米，远地点为21000千米。观测波长18cm,6cm和1.3cm；,4,甚长基线干涉空间观测,5，分辨率比较,哈勃空间光学望远镜 0.05角秒；射电甚长基线干涉网的观测 分辨率10.01毫角秒 射电的最高分辨率超过光学望远镜的 5000倍！,我国射电天文学始于1958年。从与苏联射电天文学家合作在海南岛观测日环食开始。,五，我国的射电望远镜,1，北京怀柔太阳射电望远镜2-3，上海和乌鲁木齐25米射电望远镜4，青海13.7米射电望远镜（毫米波）5，北京密云综合孔径射电望远镜6-7，北京50米和昆明40米射电望远镜8，上海65米9，新疆21厘米阵,正在建设或筹备中,10，新疆80米（筹

10、备）11，内蒙古射电日像仪（在建）12，贵州500米（FAST在建）13，中国80米天线阵（在努力之中）14，中国VLBI(最长基线3500千米)（完善中）,北京密云50米口径射电望远镜,2006年建成，探月工程项目,乌鲁木齐25米射电望远镜（1993）,甚长基线干涉观测,是国际联网观测重要成员。也用来观测脉冲星、分子谱线和6厘米波段的偏振巡天观测。,青海德林哈射电观测站13.7米口径毫米波射电望远镜(1990),望远镜在圆形保护罩里面，由于对射电波透明，观测时不需要打开。这台望远镜用于观测宇宙分子谱线。,世界最大口径射电望远镜500米（有效300米）比口径100米射电望远镜可以提高一个数量级！,贵州 FAST（2016年）投资近7亿,美丽的小山村,建设中的FAST,我国VLBI网，由四台射电望远镜组成，基线3500千米 上海和乌鲁木齐的两台25米射电望远镜，北京口径50米和昆明40米口径射电望远镜组成。,思考和复习题,1，评说射电天文的诞生2，叙述单天线射电望远镜的结构和工作原理。3，什么是射电望远镜的灵敏度和分辨率？4，评述赖尔对射电天文学的贡献，他成功的关键是什么？5，简评我国射电望远镜的发展。,