楊戟

（中國科學院射電天文重點實驗室 中國科學院紫金山天文臺 南京 210008）

射電天文是天文學的一個重要研究領域。自上世紀30年代出現(xiàn)以來，已經有綜合孔徑方法、脈沖星的發(fā)現(xiàn)、宇宙微波背景的發(fā)現(xiàn)、脈沖雙星的發(fā)現(xiàn)和研究、宇宙微波背景輻射的黑體譜特性以及非各項同性等重大的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明先后獲得諾貝爾物理學獎。射電天文導致的科學發(fā)現(xiàn)改變了人們對宇宙及物理世界的認識，同時，伴隨射電天文的發(fā)展而發(fā)展出一系列新的探測技術與方法。這些新技術與方法不但使新的重大科學發(fā)展成為可能，而且在通訊、航天等領域得到了廣泛應用。近年來，我國射電天文研究取得了許多重要的成果和進展，而射電望遠鏡和探測設備的發(fā)展更為迅速。伴隨射電天文研究、技術研發(fā)及設備發(fā)展，射電天文的人才培養(yǎng)也得到了顯著的加強。以下結合我們近年來射電天文的狀況，介紹前沿研究與技術和設備發(fā)展的主要進展。

1 分子云恒星形成研究與毫米波亞毫米波技術發(fā)展

1.1 星際脈澤源研究與高精度視差測量

利用相位參考的高精度VLBI方法，徐燁、鄭興武等人對距離太陽最近的英仙臂恒星形成了區(qū)W3（OH）進行了多歷元的VLBI視差測量，精確地給出目標的距離和運動速度，其中距離測量的相對精度達到了2%[1]。該項成果對銀河系旋臂結構的測量和研究有突破性的進展。運用這種VLBI高精度的視差測量手段是傳統(tǒng)三角視差測量的一次重大革新，不僅可以將天體的距離、銀河系結構等基本天文的測量帶來根本的提高，將來還可能為暗物質分布等重大問題提供精確的測量結果。通過已開始的大規(guī)模的國際合作計劃（BeSSEL計劃），在不久的將來對整個銀河系的測量將獲得更為系統(tǒng)的結果，成為一個有重要影響的國際合作成果。

1.2 銀河系的分子云與恒星形成研究

星際分子云與恒星的形成研究領域是天文學有關起源研究的前沿之一[2]。近年來，中科院紫金山天文臺、北京大學、中科院國家天文臺、上海天文臺、新疆天文臺等都開展了多項研究。主要研究包括：（1）紅外暗云及星前核的物理性質；（2）物質下落運動的探測； （3）大質量恒星形成區(qū)的高分辨觀測；（4）原行星盤和原始雙星系統(tǒng)的探測；（5）分子云及年輕恒星的大樣本分子譜線巡天；（6）年輕星和恒星形成區(qū)的多波段交叉證認及脈澤源的探測等。特別是，在大質量恒星形成區(qū)的研究方面取得了系列進展。例如，在早期的大質量核中，同時探測到分子氣體的內流運動和外流活動。這一成果為大質量恒星通過吸積/盤/外流的動力學過程形成提供了有力依據。在這些研究基礎上，通過開展系統(tǒng)的銀河系巡天計劃分子云與恒星行成研究，使之成為一個我國射電天文研究在國際上體現(xiàn)顯著特色的研究方向。

1.3 星系中的恒星形成

紫金山天文臺高煜等人通過射電觀測給出了氣體與恒星形成率的Schmidt-Kennicutt的關系修正。結合多波段研究，發(fā)現(xiàn)星系中致密分子氣體含量與該星系的恒星形成率之間呈線性關系，這種關系成立的尺度從銀河系分子云一直延伸到極量紅外星系。對星系內部高密度氣體的進一步探測，對以上關系提出了新的問題[3]。恒星形成率關系已經在國際上得到高度認可，也被大量的研究所引用。

1.4 毫米波亞毫米波探測技術的發(fā)展

紫金山天文臺13.7m望遠鏡是中國在毫米波亞毫米波段的主要觀測設備。這臺設備的技術發(fā)展和升級不斷進行。繼超導接收機以及3毫米波段多譜線系統(tǒng)之后，紫金山天文臺新近完成的3x3波束超導成像頻譜儀成為新的換代接收設備。紫金山天文臺毫米波與亞毫米波技術實驗室完成了系列太赫茲SIS及HEB混頻器的研發(fā)，合作應用到SMA和ALMA等裝置中，也利用國內的小型亞毫米波望遠鏡開展了實驗性觀測[4]。今后的一個重要發(fā)展是面向未來需求的寬帶非相干成像太赫茲探測器及相關的技術。經過多年的發(fā)展，太赫茲探測技術已經成為我國天文探測技術的一個優(yōu)勢技術領域，這些新技術在大氣科學、空間探測、安全檢測以及醫(yī)療等領域也將有許多應用的機會。

2 脈沖星、超新星和星際磁場研究與大口徑射電望遠鏡

2.1 脈沖星的觀測

在脈沖星的巡天基礎上，新疆天文臺一研究小組通過對一些年輕脈沖星樣本的觀測發(fā)現(xiàn)了一批重要的躍變天體，包括PSR B2334+61的大躍變。分析表明，相對跳變幅度比與脈沖星的年齡相關。另外，通過觀測獲得了一個毫秒脈沖星樣本的偏振輪廓。對脈沖星到達時間的觀測以及研究，為理解脈沖星的內部結構提供了重要的信息[5]。面向脈沖星更為系統(tǒng)的觀測研究等科學需求，提出了在新疆建設110米望遠鏡的計劃。脈沖星研究已經成為國際上活躍的研究方向之一，基于射電脈沖星的導航定位技術探索可給未來的應用帶來新的機遇。

2.2 超新星和星際磁場研究

國家天文臺一研究小組利用銀河系全天的脈沖星為探針，通過測量各個方向的磁場強度和方向，成功地構建了銀河系磁場分布新模型[6]。中德合作6cm偏振巡天是國際上同波段最完整的巡天。通過中德6cm偏振巡天發(fā)現(xiàn)了一批新的超新星遺跡，證認了新的HII區(qū)等。利用HI的吸收譜線并比較同一天體方向的分子發(fā)射譜線和HI吸收譜線，給出了一批超新星遺跡新的距離測定結果。南京大學、國家天文臺、紫金山天文臺等單位的研究小組利用多波段資料，特別是結合射電分子譜線觀測，研究了IC443、Kes 69等一批超新星與星際介質相互作用的對象，探索宇宙射線的起源。星際磁場的研究成果在國際上取得了重要的影響，這些成果在未來的大望遠鏡時代可以得到繼續(xù)擴大。

2.3 500米大口徑球面望遠鏡（FAST）

利用貴州特有的KARST地形建造500米口徑球面望遠鏡（FAST）無疑將成為在射頻波段國際射電天文的一個領先設備[7]。FAST的大口徑集光能力結合19波束L-波段接收機及其他波段多臺套的高靈敏接收機，將為宇宙中型氫巡天、脈沖星和引力波探測、星際譜線探測以及探索宇宙通訊信號等研究領域提供強大的觀測能力。除了在重大科學問題研究中的作用以外，預期FAST也將在深空探測、脈沖星計時陣和“子午工程”非相干散射雷達信號的接收等重大應用需求方面發(fā)揮作用。該設備的建設工程正在緊張進行，可以期待在未來5年投入使用，成為國際射電天文領域一臺“航母級”觀測設備。

3 黑洞、AGN研究

近年來，以上海天文臺一研究小組為代表，在高分辨射電觀測研究黑洞，特別是Sgr A*結構及周圍物理過程的研究方面取得了一系列重要進展[8]。對3C84等活動星系核以及河外射電噴流進行了詳細研究,對其結構和頻譜特性的研究獲得了新的認識。此外，還對一批活動星系核進行了毫米波VLBI的觀測。黑洞和AGN的射電研究已經處于國際前沿水平。隨著我國自主VLBI，包括空間VLBI和毫米波VLBI的發(fā)展，該方向的研究將更為活躍。

4 宇宙學與21CMA

為探測大爆炸后宇宙從黑暗時代到第一代恒星的形成，國家天文臺在新疆建設了大型低頻干涉陣21CMA[9]。21CMA由81個靜止陣列單元構成，分布在東-西和南-北兩個方向的基線上，對北極方向10x10平方度進行綜合孔徑成像，空間分辨率為4角分。系統(tǒng)工作在50—200 MHz頻段，頻譜分辨率為24 kHz，試圖探測的紅移范圍z=6-27。系統(tǒng)自2005開始工作。近期，在該探測陣的基礎上，又建設了宇宙射線和高能中微子探測望遠鏡TREND。在激烈的國際競爭中，宇宙射電背景的探測很有可能取得重大的突破。

5 射電天文的應用

5.1 VLBI在深空探測及測地中的應用

以上海佘山、烏魯木齊南山2臺25米望遠鏡及北京密云50米天線、云南鳳凰山40米天線等一起組成了中國第一代VLBI網。隨著國內互聯(lián)網基礎設施建設的發(fā)展，國內已經實現(xiàn)了多臺站e-VLBI的觀測。佘山-烏魯木齊兩臺25米望遠鏡對SELENE的同波束VLBI實驗觀測取得了成功，結果顯示X-波段的較差相位延遲的精度比非同波束的結果有了量級的提高。這些進展使得VLBI有可能在深空探測、測地以及其他領域發(fā)揮更為重要的作用。

5.2 射電天文在空間天氣預報中的應用

不同波段的射電天文在探測太陽活動對人類地球環(huán)境的影響中發(fā)揮著重要作用。國家天文臺、云南天文臺和紫金山天文臺運行多臺套、不同波段的太陽射電頻譜儀，用于監(jiān)測太陽活動及日冕物質拋射，為空間天氣預報提供實測資料。為了研究太陽爆發(fā)活動初始能量釋放區(qū)，以給空間天氣預報提供新的觀測資料，國家天文臺提出了建設新一代厘米-分米波日像儀（CSRH）計劃[10]。太陽射電觀測和研究已經成為空間天氣預報不可缺少的重要組份，并隨著航天時代的發(fā)展而滿足越來越深層次的需求。

6 射電天文研究與發(fā)展展望

當今天文學的研究面臨一系列重大的科學問題，包括暗物質和暗能量、黑洞和致密天體、宇宙起源、天體起源以及宇宙生命起源等等。揭示這些問題將導致人們對宇宙和物質世界的認識產生重大飛躍。猶如射電天文發(fā)展從一開始就與高技術發(fā)展緊密相關，要回答這些問題，觀測能力的創(chuàng)新顯得十分關鍵。射電天文將迎來快速發(fā)展的時代，未來的發(fā)展包括各波段大型觀測設備的建造與使用、通用的高分辨觀測網絡的建設、面向特定科學目標的觀測設備的建設、特色終端的研制等等。建設與發(fā)展射電天文的基礎設施需要前瞻的技術引領和鋪墊。應加快發(fā)展射電天文的高技術和新方法，包括大口徑望遠鏡及檢測技術；高頻射電主動反射面技術；多波束技術及大視場、多目標綜合孔徑成像技術；射電低噪聲接收和太赫茲直接檢波技術；寬帶數字頻譜和數字濾波、數字消色散接收、寬帶數字傳輸技術及e-VLBI高性能軟件相關處理等射電數字技術；空間VLBI、月基射電天文等射電空間探測技術、時頻新技術和高時間分辨探測系統(tǒng)技術以及偏振測量技術等。

研發(fā)是為了明天。新技術方法與設備的有機結合將為未來的科學發(fā)現(xiàn)提供創(chuàng)新能力以及應用機遇。射電天文科學研究與技術發(fā)展需要加強人才隊伍的培養(yǎng)和建設，相關的高等院校應在人才培養(yǎng)方面發(fā)揮更為突出的作用。

6.1 南極天文臺與太赫茲望遠鏡

我國在低頻領域的大科學裝置FAST建設正在進行之中。南極天文臺5米太赫茲望遠鏡的建設將包括高頻段 （太赫茲頻段的）天文觀測設備。實測表明，南極冰穹A（Dome A）是地基太赫茲觀測的優(yōu)異臺址。該臺址冬季的大氣可沉降水汽含量低達70微米，比地理南極點 （South Pole）基地、Dome C等其他南極基地的指標優(yōu)越。利用該臺址資源，建設南極天文臺太赫茲望遠鏡，將打開太赫茲波段新的天文窗口，為各個領域的天文研究獲得新的觀測機會，也為地面天文開辟新的前沿。規(guī)劃的中國南極天文臺將先期建設一個5米口徑的太赫茲望遠 鏡 ， 主 要 工 作 在 0.9/1.4TH（350μm/200μm）大氣窗口。中長期發(fā)展的重點可能包括一個口徑更大的太赫茲望遠鏡，側重大視場和太赫茲/遠紅外深度成像的探測能力，而長遠的太赫茲/遠紅外高分辨干涉是一個誘人的方向。

6.2 上海65米望遠鏡以及中國VLBI網（CVN）建設

近年來，上海天文臺在多臺站相關處理機和軟件相關技術、數字基帶轉換技術、實時VLBI技術等方向有顯著的進展。研制成功的數字基帶轉換器(DBBC)已經應用到多個VLBI觀測臺站。這些技術發(fā)展不僅保證了參加EVN、NASA測地網等主要的國際VLBI網絡觀測，而且也應用于“嫦娥一號”探月衛(wèi)星的精密測軌，為佘山65米望遠鏡建設提供了技術保障?？梢灶A計，500m口徑球面望遠鏡FAST、65米以及新疆110米望遠鏡的建成對增強CVN的觀測能力將有全新的改變，使得以中國為主體的VLBI觀測網絡成為全球VLBI觀測網絡中一個有特殊份量的網絡。面向高靈敏度和高分辨率的科學需求，對更大規(guī)模的干涉陣列，例如中國陣列（China-ART）的考慮，也在提議中。

6.3 射電頻率保護

對射電天文而言，觀測所使用的無線電頻段以及射電天文觀測臺站周圍無線電寧靜環(huán)境都是一種珍貴的資源，猶如新鮮的空氣對人類那樣重要。在現(xiàn)代工業(yè)化發(fā)展過程中，這些資源與環(huán)境經常受到不同程度的影響。保護好這些頻段與寧靜環(huán)境，是我國射電天文發(fā)展及應用的必要條件。近年來，國家有關部門對此高度重視并積極協(xié)調國內外的射電頻率保護工作。中科院射電天文重點實驗室也在持續(xù)組織射電頻率保護的業(yè)務工作并與有關部門保持密切配合。今后，射電頻率保護無論在立法、宣傳、技術措施等方面還需要不斷加強。

1 Xu Y，Reid M J，Zheng X W et al.Science,2006,311（5757）：54-57.

2 楊戟.物理，2001，（11）：51-55.

3 Gao Y.Nature,2008,452（7186）：417-419.

4 史生才,關口峪太郎.日本赤外線學會志.2010，19:33-36.

5 Wang N.Highlights of Astronomy,2010,15:228-228.

6 韓金林.科學，2011,（1）：4-7.

7 南仁東.中國科學 G 輯.2005，35（5）：449-466.

8 Shen Z Q,Lo K Y,Liang M C et al.Nature,2005,438：62.

9 Wu X P.Bulletin of the American Astronomical Society，2009，41：474.

10 Yan Y,Zhang J,Wang W et al.Earth,Moon,and Planets,2009，104（1-4）：97-100.