長白山上的“森林巨眼”，遠望探月四期任務

森林巨眼

2024年8月27日下午，中國科學院攜手中國電科網絡通信研究院聯合研製的長白山40米口徑射電望遠鏡項目，在吉林省長白山已經順利完成了天線系統的主反射體吊裝。與這一望遠鏡同時在建的還有西藏日喀則的一臺40米口徑射電望遠鏡，它們將成爲橫跨東西的兩隻“巨眼”，在我國的探月工程以及深空探測任務中發揮重要作用。

星際偵探：

射電望遠鏡的發展與現狀

射電望遠鏡是一種專門用來接收天體在射電波段發出的輻射的天文儀器，能夠對天體的射電輻射的強度、頻譜以及偏振等參數進行測量，是捕捉宇宙中電磁波信息的重要工具。20世紀30年代初，美國著名無線電工程師與天文學家卡爾·央斯基研製了一臺由天線和接收機組成的設備，並用其發現了銀河系中心的射電輻射，標誌着射電天文學的誕生。這臺外形酷似“旋轉木馬”的設備，也被稱爲“旋轉木馬”射電望遠鏡。除了射電天文觀測之外，有不少大型射電望遠鏡還應用於深空探測領域。

天線是射電望遠鏡的關鍵部件，它能夠有效地捕捉那些微弱的射電信號，並將其轉化爲可測量的電信號。具體來說，就是當來自星星或其他天體的射電波到達望遠鏡時，電波被主反射面接收，反射到副面，副面再次反射並彙集到饋源（望遠鏡用來接收宇宙外來信號的裝置系統），電波的能量即轉換爲電信號。然後這些電信號被專門的接收設備進行放大和處理，最終轉化爲可供天文學家研究的數據。

射電望遠鏡反射面板及饋源的位置示意圖

根據不同的觀測目標和工作頻段的需要，大型射電望遠鏡的天線具有各種不同的形式，主要有旋轉拋物面天線、拋物柱面天線和球面天線等。

旋轉拋物面射電望遠鏡匯聚信號的基本原理與汽車車燈裝置類似，都是利用了拋物面能將平行光匯聚到一點的幾何特性。旋轉拋物面天線可以獲得較高的天線效率和接近全天區的空間觀測範圍，因此是大型全可動射電望遠鏡中應用最多的形式。但是，由於在進行跟蹤觀測時需要整個天線都隨着目標源轉動，旋轉拋物面射電望遠鏡的最大口徑受到了工程極限的限制，目前仍侷限在百米量級。

旋轉拋物面天線：日喀則40米射電望遠鏡

球面天線則突破了這種技術限制，它具有良好的對稱性，可以固定不動，從而實現了更大口徑射電望遠鏡的建設。它的缺點是不能將平行光聚到一點，需要進行相差的二次修正。

球面天線：500米口徑球面射電望遠鏡FAST

拋物柱面天線效率較低，一般應用於低頻或特殊需求的場合，例如天籟項目中用於暗能量射電探測的陣列就是用的拋物柱面天線。

拋物柱面天線：IPS望遠鏡主站

靈敏度和角分辨率是射電望遠鏡性能的兩項重要指標，它們都與射電望遠鏡的口徑有關，口徑越大，靈敏度越高，角分辨率也越高。因此，儘可能提高射電望遠鏡的口徑一直是天文學家孜孜不倦的追求。最早的雷伯射電望遠鏡口徑纔不到10米，而今世界上最大的單口徑射電望遠鏡是中國貴州的FAST，其口徑達到了500米。

20世紀60年代，高穩定原子頻標技術和高速磁記錄技術不斷髮展，射電天文學家在傳統的連線干涉儀基礎上，創建了以“獨立本振”和“磁介質記錄”爲特點的VLBI技術。此後，美國、歐洲、日本、澳大利亞等地的VLBI網相繼投入使用。

VLBI，又叫甚長基線干涉測量，是當前天文學使用的一項高分辨率、高測量精度的觀測技術。VLBI的原理就是把相距幾千、上萬公里的射電望遠鏡聯合起來同時觀測同一個目標源並組合成一臺巨大望遠鏡的技術。望遠鏡之間的距離，也就是基線越長，這個“虛擬望遠鏡”的“等效口徑”就越大，其觀測靈敏度和空間分辨率也越高。

全球最大綜合孔徑射電望遠鏡-平方公里陣列射電望遠鏡示意圖

中國VLBI網於2007年在探月工程支持下建立。中國科學院上海天文臺基於射電天文領域的基於在射電天文領域的深厚積累，首次將實時VLBI技術應用於嫦娥一號任務，組織中國科學院所屬天文臺的優勢力量，建成由“四站一中心”組成的中國VLBI網，構建了測控系統VLBI測軌分系統。

森林巨眼：

長白山40米射電望遠鏡

的奧秘與使命

隨着中國VLBI技術的發展，爲了應對多個月球與深空探測器的觀測需求，中國科學院於2023年9月和10月分別啓動了日喀則和長白山的40米口徑射電望遠鏡項目建設。

長白山冬季空氣乾燥，晴天數多，尤其適合望遠鏡開展高頻段觀測。經過地質勘查，長白山馬鞍山林場的地質條件優越，能夠滿足40米射電望遠鏡樁基承載要求。最終，長白山40米口徑射電望遠鏡，落戶于吉林省長白山保護開發區池西區管委會馬鞍山林場。

相對於上海天馬望遠鏡的經度位置，長白山40米射電望遠鏡更靠近中國版圖東側，比天馬望遠鏡向東增加6.6度，將比天馬望遠鏡早26分鐘捕獲到深空目標。

長白山40米口徑射電望遠鏡的天線系統採用全實面面板，單塊面板精度優於80微米，主反射體面型精度優於0.3毫米；最高指向精度優於5角秒；採用整體保溫技術，主反射體背架用保溫材料包裹，確保望遠鏡在東北的嚴寒環境中正常運行。

建成後的長白山40米射電望遠鏡將是一臺集全實面、全可動、高精度、多用途於一體的射電望遠鏡。該望遠鏡將裝備7個波段的高靈敏度製冷接收機，覆蓋從700MHz至50GHz的連續頻譜，並支持雙頻段同步觀測，更預留了升級至86GHz觀測的潛力。

上海65米口徑天馬望遠鏡、上海25米口徑佘山望遠鏡、雲南昆明40米口徑望遠鏡和烏魯木齊南山25米口徑望遠鏡組成VLBI網

至此，日喀則和長白山這兩臺望遠鏡的加入，中國VLBI網將由“四站一中心”升級爲“六站一中心”，最長基線即“等小口徑”將超過原有上海和烏魯木齊之間約3200公里，拓展到約3800公里，最大角分辨率也提升18%。在不久的將來，兩臺望遠鏡將共同助力中國VLBI網具備“雙子網、雙目標”能力，提升中國射電天文科學研究能力，推動中國在超大質量黑洞、緻密天體快速時變及引力波電磁對應體、銀河系動力學研究、高精度天地一體化參考架等一系列天文學前沿領域的研究中取得更多創新性成果。

部分信息來源於光明網、中國新聞網、中國青年報、中國科學院等

（科學性審覈：劉慶會，射電天文科學與技術研究室副主任）