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      【光明日報】觀天“巨眼” 宇宙“向導”:中國甚長基線干涉測量網

      文章來源:上海天文臺  |  發布時間:2023-12-01  |  【打印】 【關閉

        
         在地球上,有一雙觀天“巨眼”——中國甚長基線干涉測量(VLBI)網(CVN)。這是一個巨大的綜合孔徑射電望遠鏡,“增強版”完成后,最長基線將超過月球直徑3470公里,達到3800公里。它能分成兩個子網,相當于兩臺VLBI射電望遠鏡,可同時觀測兩個不同方向的獨立天區。因此,這雙“巨眼”能同時觀測宇宙中的兩個射電源或深空探測器。一方面,它能用于對月球與行星探測器的高精度測量與軌道確定,就像專業的向導,為探索宇宙的月球與行星探測器指引正確的方向。另一方面,它還可以用于射電天文研究,如同專注的觀察者,尋找宇宙中隱藏的秘密。
      1. VLBI為什么這么牛?
      將分布在不同地方的射電望遠鏡“連”起來,構成一臺分辨率超高的綜合孔徑射電望遠鏡。
        2019年4月,“事件視界望遠鏡”項目公布了人類拍攝的首張黑洞照片:M87星系中心的超大質量黑洞。2022年5月,天文學家再接再厲,公布了銀河系中心的黑洞圖像。這些圖像的獲得,都有個科研利器的幫助——VLBI射電望遠鏡。
        VLBI(Very Long Baseline Interferometry),即甚長基線干涉測量技術,是采用氫原子鐘,提供精確的時間基準,通過復雜的數據處理,將分布在不同地方的望遠鏡接收到的信號綜合起來,構成一臺分辨率超高的綜合孔徑射電望遠鏡。
        角分辨率是望遠鏡的一個重要技術指標,分辨率越高,望遠鏡看得越清楚。對于常規望遠鏡,角分辨率與觀測波長成反比,與口徑成正比。對于VLBI望遠鏡,在波長一定的情況下,角分辨率與基線長度(可以理解為望遠鏡之間的距離)成正比,即基線越長,VLBI望遠鏡的分辨率越高。地基VLBI陣列的望遠鏡分布在全球,其基線可以長達上萬公里。因此,雖然射電波段波長比可見光長得多,但是由于VLBI的基線很長,其角分辨率仍然可以很高。實際上,VLBI是角分辨率最高的天文觀測技術。
        20世紀60年代中后期,射電天文學家意識到,幾百米至幾千米基線長度的連線射電干涉儀無法分辨毫角秒量級以及更加精細的射電源結構。為了進一步提高射電天文觀測的本領,射電天文學家利用當時高穩定原子頻標技術和高速磁記錄技術,在傳統的連線干涉儀基礎上,發展了“獨立本振”和“磁介質記錄”為特點的VLBI技術。1967年,美國Broten等人首次成功獲取了VLBI干涉條紋,自此開創了射電天文學的新領域。目前VLBI普遍采用磁盤記錄或高速網絡直接傳輸寬帶觀測數據。
        20世紀80年代以來,歐洲的VLBI網(EVN)、美國的VLBI陣(VLBA)、國際天體測量/測地VLBI網(IVS)、俄羅斯QUASAR網、日本VERA網、澳大利亞、新西蘭和韓國等VLBI網相繼投入使用。2007年,我國在探月工程的支持下建立了中國VLBI網(CVN)。日本和俄羅斯還實施了空間VLBI項目。目前VLBI的發展方向有:毫米波VLBI、實時VLBI、超寬帶VLBI以及空間VLBI等。
        得益于其極高的角分辨率,VLBI技術經常用來給宇宙中的射電源拍攝高分辨率的射電波段照片,天文學家稱之為“成圖”。開頭提到的黑洞照片,拍攝時就使用了包括南極洲望遠鏡(SPT)在內的分布在全球的8臺毫米波VLBI射電望遠鏡,其基線長度達到1.2萬公里,接近地球直徑,是人類在地球上能獲得的最長基線。如此長的基線提供了20微角秒的分辨能力,讓天文學家成功捕捉到黑洞的身影:一個明亮的環,黑洞就在中心的黑暗中。這個環是如此之小,直徑只有42微角秒,相當于從地球上觀察月亮上一個橘子大小的物體。需要說明的是,黑洞本身是不發光的,照片中我們看到的發光的圓環是吸積盤——物質在被黑洞吞噬之前繞著黑洞高速旋轉,形成吸積盤。盤中物質被電離,在加速過程中發出射電輻射,被VLBI望遠鏡捕捉到。
        VLBI另一個重要應用是天體測量。地球自轉一周的時間是23小時56分4秒。然而,許多因素會導致地球自轉時間發生變化。比如,月球和太陽對海洋的潮汐力作用會使地球轉速緩慢降低,風會引起季節性的自轉速度變化等等。對于日常生活,這幾毫秒的變化幾乎毫無影響,但是對于衛星導航、通信系統、科學研究等領域,精確的時間就非常重要了。VLBI可以通過觀察一系列射電源,把地球每天自轉速度的微小變化精確測量出來。
        由于板塊運動,我們腳下的陸地在地球上的位置并不是永恒不變的。只是這種移動速度非常慢,每年只有幾厘米,根本感覺不到。VLBI通過監測參與觀測的射電望遠鏡本身的站坐標位置變化,可以把板塊的運動精確測出來。
        天文學研究必須知道目標天體的精確位置,這就要建立一套坐標系。目前使用的坐標系叫做第三代國際天球參考架(ICRF3),精度達到0.1毫角秒,由300多個遙遠的河外射電源共同定義。而這些射電源的高精度位置正是通過全球VLBI望遠鏡的長期觀測確定的。
       
      2. 中國VLBI網有什么用?
      在探月工程歷次任務和首次火星探測任務中,發揮了不可替代的重要作用。
        除了觀測宇宙中的自然天體,VLBI技術還可用于給各種月球和深空探測器等人造天體測定軌、定位。通過干涉的方法,VLBI能精確測量目標射電源到達不同望遠鏡的時延τ。τ乘以光速即為目標到望遠鏡或觀測站的距離差。而射電望遠鏡的坐標已知,通過計算可以獲取探測器在天空中的方位,綜合無線電測距技術,即可獲得探測器在宇宙中的軌道或三維位置。VLBI技術在國際上也是深空探測任務不可或缺的重要技術手段,在探測器的關鍵飛行段的測定軌工作中發揮著關鍵作用。
        中國VLBI網的發展與我國月球與深空探測工程緊密相連,發揮了關鍵作用。
        VLBI技術是在葉叔華院士的倡導下引入我國的。1987年上海佘山25米射電望遠鏡建成,成為中國第一個正式的VLBI站。1994年烏魯木齊VLBI站建成,至此中國VLBI網有了第一條基線。
        2004年1月,我國正式啟動了探月工程。嫦娥一號立項時,我國針對地球軌道衛星的測控主要基于無線電測距測速技術,可實現的最遠測控距離約為8萬公里。而嫦娥一號衛星進入繞月軌道后,最遠距離達40萬公里。
        為解決我國當時存在的月球距離測控瓶頸,探月工程決定將VLBI技術結合已有的測距測速,共同完成對月球距離探測器的高精度測定軌。在探月工程的支持下,2006年地面應用系統建成了北京50米和昆明40米口徑望遠鏡。中國科學院上海天文臺牽頭,組織中國科學院的幾個天文臺的優勢力量,建立了由“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,最長基線達到3200公里。當時的“四站一中心”包括上海佘山站、新疆南山站、云南昆明站和北京密云站以及位于上海天文臺的VLBI數據處理中心。2012年,上海天馬65米射電望遠鏡落成并成為CVN的新成員,同時在上海松江區建設了新的月球與深空探測VLBI中心。
        這是我國深空探測測控系統的重要組成部分,目前已經圓滿完成了探月工程“繞、落、回”三個階段和我國首次火星探測任務的VLBI測定軌任務。
        VLBI特有的短弧高精度測角能力在嫦娥一號任務中發揮了不可或缺的重要作用,與測距測速技術共同實現了對探測器在地月轉移段、月球捕獲段的快速定軌和繞月段的高精度定軌等,為確保我國首次繞月探測做出了突出貢獻。自嫦娥一號以后,我國月球與行星探測工程歷次深空探測任務均采用了“測距測速+VLBI測角”的新型測定軌體制,影響深遠。
        中國VLBI網基于自主技術,首次在國際上將實時VLBI技術用于月球與深空探測器的高精度測定軌、定位,首次建立了實時動態雙目標同波束VLBI測定軌系統,具備S/X雙頻觀測能力。除嫦娥一號外,VLBI還支持了我國嫦娥二號環月飛行、飛越日地L2點與圖塔提斯小行星探測、嫦娥三號我國首次在月面軟著陸、嫦娥四號國際首次實現月球背面著陸,嫦娥五號月面起飛、人類首次月球軌道無人交會對接遠程導引及采樣返回,以及天問一號我國首次火星繞落巡探測。
        其中,嫦娥三號落月后,中國VLBI網將VLBI同波束相位參考成圖技術和相位時延測量技術,首次應用于嫦娥三號月面巡視器和著陸器的相對位置測量,極大地消除了測量誤差,兩器相對定位精度達到1米。
        經過十余年的發展,我國VLBI技術能力不斷增強,總體能力已達到國際先進水平,形成了鮮明的中國特色。與此同時,佘山、烏魯木齊、天馬、昆明站還參加了EVN、IVS等國際VLBI觀測網,承擔了重要的面向天文研究的VLBI或單天線觀測工作。
       
      3. “增強版”中國VLBI網“強”在哪兒?
      雙子網可分別追蹤兩個目標,未來還將向空間發展,構建天地一體化的大型射電天文觀測設施。
        我國深空探測的不斷發展和進步,對VLBI網也提出了更高要求。例如,觀測目標從過去數年一個,發展到一年幾個,甚至一次深空探測任務中需要同時測量在不同天區的兩個目標。VLBI技術用于測定軌時,一般至少需要使用三個站同時組網觀測。因此,現有的中國VLBI網“四站一中心”在同一時間段內只能測量一個目標,或者以同波束方式測量兩個臨近的探測器。更何況,當有不同深空探測任務同時進行時,也存在對所屬不同任務的兩個探測器同時測量的需求。因此VLBI網迫切需要變強。
        在探月工程、上海市、中國科學院以及西藏自治區和吉林省等多方大力支持下,上海天文臺目前正在西藏日喀則和吉林長白山同時建設兩臺40米口徑的射電望遠鏡,預計2025年建成。兩站建成后,中國VLBI網所屬上海天馬、上海佘山、吉林長白山、西藏日喀則、新疆南山和云南昆明站和上海VLBI中心的“六站一中心”將構成“3+3”兩個VLBI子網,能夠同時測量不同天區的兩個探測器,綜合測量能力提升一倍。
        從天文觀測的角度看,日喀則站和長白山站站址條件優良,無線電干擾小,尤其適合望遠鏡開展在高頻段的觀測,將為提升我國射電天文科學研究能力,推動在超大質量黑洞、致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成果。作為未來要參加天文和深空探測兩方面工作的多用途通用射電望遠鏡,兩站將配置7套高靈敏度致冷接收機,實現700MHz至50GHz頻譜覆蓋,并具備升級到更高觀測頻率的潛力。
        在地理位置方面,日喀則和長白山站一個坐落于青藏高原,一個聳立在林海雪原,分別是中國版圖的西南和東北。它們的加入,不僅延長了基線長度,而且改善了中國VLBI網的觀測覆蓋。中國VLBI網最長基線將延長至3800公里,超過了月球的直徑,能夠更好地服務我國未來深空探測與天文觀測需求。
        除了地面系統,我國也正積極推進空間VLBI系統。我國將在嫦娥七號鵲橋二號中繼衛星上,開展國際首個地月空間VLBI試驗,驗證部分空間VLBI關鍵技術。它也將中國VLBI網的觀測基線延長至30萬公里。在這個試驗中,中國VLBI網的兩個子網,一個將配合開展地月軌道空間VLBI觀測試驗,另外一個將用于精確測量中繼衛星的軌道,幫助確定空間VLBI望遠鏡的站坐標。
        與此同時,我們還正在推進“空間低頻射電天文臺”項目,計劃發射兩臺口徑達30米的射電望遠鏡進入太空。該天文臺不僅可以作為獨立的空間單天線運行,亦可構建獨立的空間VLBI系統,或與地面的FAST、SKA等大型射電望遠鏡協同工作,共同構筑超高靈敏度和高分辨率的低頻空—地VLBI網絡,預期將在黑洞、系外行星等前沿科學領域取得重要突破。這將首次實現空—空VLBI科學觀測,在低頻段超越現有地面VLBI網絡的分辨能力,填補高分辨率低頻射電觀測的空白領域,致力于解開有關“一黑兩暗三起源”的重大天體物理難題。
        待日喀則和長白山兩臺新建的望遠鏡加入后,中國VLBI網可以在保證測量精度的前提下,分成兩個子網,同時分別追蹤兩個目標,就像地球上的一雙明亮的眼睛,凝視著深邃的宇宙。未來,國內FAST、新疆QTT等更多地基百米口徑望遠鏡將參加VLBI觀測,中國VLBI網也將向空間發展,構成一個天地一體化的大型射電天文觀測設施。我們期待,中國VLBI網未來能帶來更多令人驚喜的發現,開啟人類對宇宙探索的新篇章。
      (作者:鄭為民、劉磊,分別系中國科學院上海天文臺射電天文科學與技術研究室主任、正高級工程師,高級工程師)
      本文發表在光明日報(2023年11月30日),原文鏈接: https://app.gmdaily.cn/as/opened/n/72984d966b05412bbbe075a918719e72
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