基于2018年上海市科技进步奖特等奖项目《上海65米射电望远镜系统研制》，本文解析了“上海65米射电望远镜”这一中华利器。本文来自微信公众号：世界科学（ID：World-Science），“走近科学”栏目由 “世界科学” 和 “赛先生”联合出品，作者：乔琦，原文标题：《上海天马山脚下那座射电望远镜，正在倾听宇宙动静︱走近科学》，头图来自：视觉中国
2020年12月1日，重达900吨的接收平台及相关结构从百余米高空砸到了阿雷西博望远镜的主反射面上，望远镜彻底毁坏。好在，由于政府此前就已决定拆除阿雷西博，科学家和工程师也已经撤离，这次垮塌事故没有造成任何人员伤亡。
就这样，“美国天眼”阿雷西博望远镜以一种不算圆满的方式结束了自己的使命。阿雷西博射电望远镜建成于1963年，口径达到了305米，在“中国天眼”500米口径球面射电望远镜（FAST）建成之前，始终是全球最大的单孔径望远镜。
在服役的这57年里，阿雷西博可谓是战功赫赫。
它发现了水星自转周期、第一个脉冲双星系统、第一个毫秒脉冲星，证明了中子星的存在，甚至还代表我们人类向球状星团M13发送了一串由1679个二进制数字组成的信号。如果有外星文明收到了这个信号并准确识别，他们将会知晓我们人类这个智慧种族的存在。
此外，阿雷西博射电望远镜的身影还出现在了大荧幕上，在《007之黄金眼》《超时空接触》等电影中都有亮相。
然而，这一切都在垮塌事故的一声巨响中成为了历史，这怎能不令人扼腕叹息？好在，以FAST和上海65米射电望远镜（天马望远镜）为代表的中华利器已经接过了探索宇宙的接力棒，它们必将开拓崭新的未来。
本文的主人公正是上海65米射电望远镜。不过，要想深入了解这位主人公，首先还得知道一些背景知识，比如：
什么是射电？什么是射电望远镜？
同样是射电望远镜，上海65米射电望远镜和FAST、阿雷西博有何不同？
射电望远镜有什么重要意义？
射电望远镜的研制又要解决哪些困难？
别着急，下文将一一道来。
射电天文学的前世今生
所谓“射电”，其实就是无线电，英文为Radio。你一定也认出了，这个词还有一个更常见的意思，那就是“收音机”。收音机接收的其实就是无线电，它在收到这些信号后，进行一番解调制，然后播放出来，就有了我们能听到的内容。
射电望远镜的基本原理和收音机类似，也是接收无线电信号，再通过解调制等手段处理信号，最后形成图像。因此，如果说我们更熟悉的光学望远镜是在“观看”宇宙，那么射电望远镜更像是在“倾听”宇宙。
1931年，美国无线电工程师卡尔 · 央斯基（Karl Guthe Jansky）利用天线阵列和接收器收到了来自银河系中心方向的无线电信号，这就是射电天文学的开端。
20世纪30年代末40年代初，美国人格罗特 · 雷伯（GroteReber）用自制的9.45米口径抛物面天线收集了银河系的无线电信号，并绘制了第一张银河系射电天图。他的这架望远镜也当之无愧地成了人类历史上第一架射电望远镜。
此后，射电天文学和射电望远镜迅猛发展，取得了令人瞩目的成果。尤其是20世纪60年代的四大天文学发现——脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子——均有射电望远镜不可替代的杰出贡献，因而也被称为“射电天文学四大发现”。
如今，射电天文学已经成为探索宇宙的一大前沿领域，拥有性能优秀的射电望远镜更是天文强国的标志之一。
射电望远镜的结构、性能标准及技术难点
射电望远镜种类繁多，既有像阿雷西博和FAST这样“嵌”在某个地方且整体不可转动的“大锅”，也有像上海65米射电望远镜这样可以360°转动的全可动射电望远镜，还有由多个小望远镜构成的综合孔径射电望远镜。
不过，归根到底，射电望远镜的基本结构无外乎天线、接收机、数据采集系统、支撑结构和驱动系统。
与光学望远镜一样，射电望远镜的性能标准主要也是灵敏度和分辨率两方面。此外，口径越大——射电望远镜的口径就是天线的直径——灵敏度、分辨率就越高。因此，建造射电望远镜的一大目标就是尽可能地造得大。然而，研制这样的天文观测利器不可避免地要面临诸多困难。例如：
如何保证这些动辄上千吨的庞然大物在自由转动的同时还能准确定位、跟踪目标？
如何克服自身重力以及环境因素导致的反射面形变？
如何降低接收机的噪声温度以提高其灵敏度？
如此种种，都是研制大型射电望远镜必须解决的技术难点。
这些难点解决得越好，望远镜的性能也就越优秀，就越可能取得更丰硕的研究成果。
上海65米射电望远镜的研制
上海65米射电望远镜，坐落于上海天马山山脚下，因而又有“天马望远镜”之称。
这座望远镜高70米，重2700多吨，主反射面（也就是望远镜的大天线）口径65米、面积约3780平方米——“相当于9个标准篮球场大小”。
这么大的反射面如果只是造成一整块，那不可避免地会因各部分所受重力不均匀导致反射面偏离理想状态，从而影响观测结果。
为了解决这个问题，天马望远镜使用了1008块高精度面板单元沿14圈拼装而成，其中最大的一块面板面积达到4.92平方米，最小的也有2.66平方米，且每块面板的单元精度都达到0.1毫米。
这就是说，天马望远镜的主反射面就像一张大拼图画，由1008块大小不一、精度极高的小拼图准确拼接而成。这是国内大尺度高精度面板设计与制造技术的最高水平！
可是，光是这样，仍然没法达到要求。望远镜在跟踪观测目标的时候，不可避免地要转动、改变俯仰角，随之而来的重力变形仍旧会导致反射面偏离理想状态，继而影响观测。
一般来说，实际反射面偏离理想状态的程度不能超过工作波长的1/20。而天马望远镜的最短工作波长是7毫米（对应最高工作频率为43吉赫），因此，设计要求，在任何情况下，实际反射面偏离理想反射面不得超过0.3毫米！
0.3毫米是什么概念呢？鸡蛋壳的平均厚度大概就是0.33毫米。也就是说，这块面积将近4000 平方米、由1008块“小拼图”拼成的反射面在工作状态下，任何时刻都不能产生超过一个鸡蛋壳厚的整体表面精度误差！
为此，天马望远镜主反射面使用了国内首创的主动调整技术。
具体来说，就是“在每四块面板单元相邻角下与天线背架结构的连接处安装一台促动器”，工作时，由观测室的主控计算机根据天线实际形变情况实时控制各台促动器进行微调，以保证观测效率与质量。
这样的促动器共计1104台，每一台的定位精度都可以达到15微米——相当于一根头发丝直径的1/3左右。
打个比方，主控计算机就像是大脑，1008块反射面板单元好比是一块块肌肉，而促动器则相当于连接、控制肌肉的神经。大脑在得到肌肉反馈回来的信息后，通过神经指挥肌肉做出微调，更好地完成动作。
天马望远镜正是通过这种“如臂使指”的方式克服了反射面形变带来的影响，大大提高了观测精度和效率。
反射面的形变问题解决了，可是，要想观测到目标，还有一个技术难题需要解决，那就是如何精准定位、追踪目标天体。毕竟，设备本身性能再优秀，找不到或是跟不住观测对象，那也是白搭。
前面已经提到过，上海65米射电望远镜可以360°转动。此外，仰角最大也可以变化90°之多。正是凭借水平方向上的大范围转动、仰角的大幅变化，上海65米望远镜才能主动观测大面积天区——它可以跟踪观测当地地平线5°以上的所有天体和航天器——而这也是它与FAST及阿雷西博的显著区别之一：后两者固定在某块区域，无法转动，也没有仰角变化，只能依靠地球的自转来观测不同天区，因而在观测面积和主动性上差了不少。
不过，360°转动和最高可达90°的仰角变化，也带来了一些技术挑战，其中最主要的一个，就是如何保证这个重达2700多吨的大家伙在改变“姿势”时保持稳定和观测精度、跟踪精度。
那么，这个精度要求到底是多少呢？设计要求，上海65米射电望远镜的指向误差不能超过3″——连手表上秒针跳一次划过角度的1/7200都不到！
为了达到这个要求，上海65米射电望远镜建造于特制的钢筋混凝土地基上，安装了直径达到42米的方位钢轨；方位钢轨上还装有负责承接、驱动天线的方位滚轮和驱动装置。这就是望远镜能够360°转动，最高90°俯仰的关键所在。
为了保证观测精度，方位钢轨采用无缝焊接技术，由30段单根轨道全焊接而成（这也是国内首次实现全轨道焊接），整个轨道平面度达到0.5毫米。换句话说，这么大的方位轨道，最高处与最低处的高度误差连大拇指指甲长度的1/4都不到！这就为望远镜的观测精度奠定了坚实基础。
说完了反射面、支撑结构和驱动系统，就不得不提接收机了。
反射面天线收集到信号之后就会把它们会聚到接收机上来。然而，接收机本身也会产生信号，这就是噪声。噪声的存在会严重影响望远镜的灵敏度。此外，接收机的噪声与温度有关，温度越高，噪声越大。因此，上海65米射电望远镜在所有波段都配备了高灵敏度致冷接收机，最大程度地降低了来自自身的热噪声，从而保证了灵敏度。
其实，除了上述技术难题之外，上海65米射电望远镜在研制过程中还碰到了各种大大小小的问题。我国科学家和工程师花费了巨大的心血、付出了巨大的努力才将其一一解决。
在整个系统的研究和应用中，上海65米射电望远镜共获得专利30余项，发表论文100余篇。望远镜的最高分辨率达到了22″。上海65米射电望远镜已成为全球前三、亚洲最大、性能优越的全方位可动单孔径大型射电望远镜。
上海65米射电望远镜的研究成果
上海65米射电望远镜的落成，改变了国内只有中小型射电望远镜的局面，标志着我国射电天文学逐渐跻身国际领先水平。
自2012年年末建成并投入使用后，上海65米射电望远镜迅即成为国内天文观测的一大利器。它的身影出现在了诸多重点工程之中，比如大家耳熟能详的“嫦娥”工程、“探火”任务。
天马望远镜在“嫦娥”工程中主要担任“指路人”的角色，为探测器及月球车准确指引方向。在2012年的“嫦娥二号”小行星探测任务、2013年的“嫦娥三号”月球软着陆任务、2014年的探月三期再入返回飞行试验器任务、2018年的“嫦娥四号”中继星和着陆巡视器VLBI测定轨任务、2020年的“嫦娥五号”VLBI测定轨任务中，上海65米射电望远镜都表现出色，很好地为“嫦娥”工程保驾护航。
说到这里，你一定好奇VLBI是什么，毕竟这四个字母似乎总是在天文学方面的新闻里出现呢！
VLBI就是英文Very Long Baseline Interferometry的首字母缩写，含义是“甚长基线干涉”技术。我们知道，望远镜的口径是越大越好，可是建造像天马望远镜这样65米口径的仪器已经很难了，那要怎么进一步大幅提高望远镜的有效观测口径呢？
正是为了解决这个问题，VLBI出现了。简单来说，具体实践方式是这样的：
多台相距遥远的射电望远镜各自独立地同时在同一个波段观测同一个目标，然后再将这些数据汇总起来，加以干涉处理，获得结果。
通过VLBI技术，有效观测口径就可以从单个望远镜的几十米、几百米，扩展到几千千米。
就拿指引“玉兔号”月球车展开月面探测的中国VLBI网来说，它由位于上海、北京、昆明、乌鲁木齐的射电望远镜构成，有效观测口径相当于3000多千米，从而大幅提高了观测精度和分辨率。
那么，这个VLBI观测网究竟有多精准呢?玉兔号月球车的长宽高也就是一米多，而地球与月球更是相距38万千米之遥。可凭借我国的VLBI网，就可以在这么远的距离上，监测出玉兔号这个“小家伙”10厘米的移动，实在是太强大了！
而上海65米射电望远镜正是这个VLBI网的重要成员，它的存在让观测网灵敏度上升了42%。不光如此，它还是欧洲VLBI网的成员，使其灵敏度提高了15%~35%。它更是东亚VLBI网当之无愧的核心望远镜。
除了服务国家航天任务之外，天马望远镜在射电天文观测研究（如分子谱线探测、脉冲星研究等）上也取得了诸多成果，例如：探测到了“北天周期最短的毫秒脉冲星”，发现了“银心磁星”具有周期跃变现象等。
展望未来
毫无疑问，上海65米射电望远镜未来仍将在我国的探月四期任务、探测火星任务、探测深空任务等重大工程中发挥重要作用，也仍将在脉冲星观测、分子谱线观测、大质量恒星演化、活动星系核、X射线源乃至黑洞的相关研究中大展拳脚。
除此之外，正是因为有了上海65米射电望远镜的成功研制经验和先进技术，110米口径全可动射电望远镜项目（QTT）也已经获批。该项目选址于新疆昌吉州奇台县，因而也叫作奇台望远镜。奇台望远镜建成后，将成为世界上最大的全可动射电望远镜。
“美国天眼”阿雷西博望远镜雄踞射电望远镜之巅足足半个世纪有余，如今却无奈惨淡收场。相较之下，我国的射电天文事业虽起步较晚，但靠着几代人的努力，终于凭借上海65米射电望远镜和FAST这两大天文观测利器，成功跻身世界一流之列。
这些大国重器是中华民族智慧与汗水的结晶。勤劳、勇敢、聪慧的中国人民也终将通过这些中华利器重现我国古代天文学曾经拥有的荣光，并由此开拓更为灿烂的未来。
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