高分辨率成像空間射電天文臺
——突破分辨率極限的“空-地”觀測網(wǎng)

安濤（中國科學院上海天文臺）

高分辨率成像空間射電天文臺
——突破分辨率極限的“空-地”觀測網(wǎng)

安濤（中國科學院上海天文臺）

上海天文臺提出的空間VLBI陣列 （一期）的概念圖，由兩個空間射電望遠鏡與地面望遠鏡組網(wǎng)，實現(xiàn)幾十微角秒的分辨率，能夠?qū)诙吹葮O端致密天體成像

一直以來，浩瀚的宇宙神秘而又令人向往，探索宇宙是人類永恒的追求目標。一代又一代科學家克服千辛萬苦，鍥而不舍，不斷提高觀測手段，為的就是更深入了解我們的宇宙，能夠 “看”得更遠，“看”得更清楚。宇宙中高能的天文現(xiàn)象通常與極端致密的天體（如黑洞）密切相關(guān)，許多與黑洞相關(guān)的前沿天體物理課題都非常依賴于超高分辨率的成像觀測。本文將介紹我國正在推進的高分辨率成像空間射電天文臺計劃。

射電天文的起源和發(fā)展

射電天文是天文學的一個分支，主要是通過射電望遠鏡接收天體發(fā)射的無線電頻率信號來研究天體的輻射、運動和變化等。與傳統(tǒng)的光學天文學相比，射電天文是一個年輕的學科，始于1930年代早期，在二戰(zhàn)以后獲得了蓬勃發(fā)展。盡管年輕，射電天文已為人類探索宇宙作出了巨大的貢獻。20世紀60年代天文學上四大發(fā)現(xiàn)（類星體、脈沖星、星際分子、宇宙微波背景輻射）中的前三個均是射電天文的驕人成績，迄今為止10項授予天文學研究的諾貝爾物理學獎中有6項是射電天文學的貢獻。

與人肉眼看到的可見光不同，射電天文是通過探測天體發(fā)出的無線電波輻射來研究物理和化學性質(zhì)。無線電波不像可見光那樣受星際消光的限制，這一特點使得人們能夠深入一些天體內(nèi)部看到一個獨特的天象。而且，射電波段的甚長基線干涉測量（VLBI）可以提供最高分辨率的天文觀測技術(shù)。

中國VLBI網(wǎng)：科學與應(yīng)用

VLBI是一種用于射電天文學中的干涉測量方法，它允許多個天文望遠鏡同時觀測一個天體，分辨率角度的觀測效果相當于一個大小等于望遠鏡之間最大間隔距離的巨型望遠鏡的觀測效果。當今天文領(lǐng)域中分辨本領(lǐng)最高的成像觀測技術(shù)，是對黑洞等極端致密天體的細致結(jié)構(gòu)成像的唯一有效手段。VLBI的分辨率高達毫角秒甚至亞毫角秒量級，如此高分辨率成像相當于能從地球上看清楚月面上一只籃球。

從歷史上看，對未知領(lǐng)域的探索從來都不吝于帶給人類新的發(fā)現(xiàn)，很多時候會引發(fā)天文和物理學上的革命。天文學是一門以觀測為基礎(chǔ)的學科，先進的觀測儀器是取得創(chuàng)新和突破的前提。縱觀天文學史，每一次重大天文發(fā)現(xiàn)都伴隨著望遠鏡設(shè)備和觀測技術(shù)的革新。

我國的射電天文盡管起步較國際上晚了二三十年，但隨著國家綜合國力的不斷增強，自2000年后我國相繼建造完成了3臺40-65米的射電天文望遠鏡，還有一臺500米口徑的望遠鏡正在建造之中。這些大口徑望遠鏡組成了中國VLBI網(wǎng)，不僅是探測天體細致結(jié)構(gòu)的利器，而且為我國探月工程中嫦娥衛(wèi)星的精密測定軌作出重要貢獻。我國在高分辨率射電成像方面已經(jīng)逐步走到世界前列，為下一步實現(xiàn)跨越式發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

高分辨率成像空間射電天文臺

隨著認知領(lǐng)域的不斷擴展，天文學家對精細成像觀測提出更高的要求。對高分辨率成像的追求把人們的思維引向太空，科學家們設(shè)想利用在衛(wèi)星上搭載射電望遠鏡與地球上望遠鏡組成“空-地”觀測網(wǎng)，從而實現(xiàn)地球上無法逾越的分辨率極限，這就是高分辨率成像空間射電天文臺 （以下簡稱為空間VLBI）的初衷。空間VLBI是地面VLBI的自然延伸，是射電天文觀測技術(shù)在提高觀測分辨率方面的一項重大突破。空間VLBI的最大優(yōu)勢是擁有比地面VLBI網(wǎng)更長的基線，能夠達到幾萬公里甚至幾十萬公里，從而將分辨率提高了數(shù)倍甚至數(shù)十倍。在過去40年的不懈努力下，日本和俄羅斯的天文學家已經(jīng)成功地先后各自發(fā)射了一顆空間射電望遠鏡，開展空間VLBI觀測研究。下圖展示了日本主導的世界上第一個空間VLBI項目（VSOP），不同波段不同望遠鏡拍攝到類星體3C273的圖片，位于最下方的空間VLBI圖片展示了從星系核心噴射出的高度相對論性噴流，類似的細節(jié)結(jié)構(gòu)是其他波段無法企及的。

中國科學院上海天文臺在國際上空間單星成功的基礎(chǔ)上，提出一個雄心勃勃的計劃：發(fā)射雙星甚至多星，這些空間望遠鏡不僅與地面組成更加龐大的 “空-地”VLBI網(wǎng)，而且可以形成空間VLBI陣列。目前國際上因為其他大型射電天文項目（如阿塔卡馬亞毫米波天線陣ALMA和平方公里陣SKA）建設(shè)的原因，無力推進類似空間VLBI陣，這對我國天文學家來說是一個機遇。

上海天文臺提出的空間VLBI陣列計劃的路線圖有三個重要節(jié)點。第一個重要節(jié)點是計劃在2016-2020年發(fā)射兩顆衛(wèi)星，各搭載一架10米口徑的射電望遠鏡，最高工作頻率在43GHz，遠地點距離為60 000公里，與地面望遠鏡組陣實現(xiàn)20微角秒的超高分辨率，能夠?qū)顒有窍岛说膰娏鲊娮臁⒕嚯x銀河系最近的超大黑洞M87的邊界進行首次成像，對黑洞的理論模型提出嚴格的觀測檢驗。

由于黑洞強大的引力場，光子都無法逃逸，因此我們永遠無法看到黑洞自身的面貌，只能繪制黑洞周邊區(qū)域的輪廓。黑洞周圍的吸積盤在黑洞強引力場下，會呈現(xiàn)出如上圖所示不對稱的月牙狀圖像。美國科學家Avery E.Broderick和Abraham Loeb通過理論計算和數(shù)值模擬得到了超大黑洞邊界的圖像，不同的形態(tài)反映了黑洞不同的自旋和視角。空間VLBI陣列將直接攝取黑洞邊界圖像，一方面給出黑洞存在的確鑿證據(jù)，另一方面直接測量黑洞的質(zhì)量、尺寸和自旋。

為了能夠滿足20微角秒成像的要求，空間VLBI陣列對空間望遠鏡的型面精度和指向精度、衛(wèi)星平臺的姿控穩(wěn)定性、星載致冷接收機、星載氫原子鐘、時間頻率同步、星地高速數(shù)傳、定軌精度等關(guān)鍵技術(shù)指標都提出了幾近苛刻的要求，每一項都極具挑戰(zhàn)，代表了相應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域的最高水平甚至是突破方向，技術(shù)難度可想而知。但正是這種機遇與挑戰(zhàn)并存的誘惑吸引著天文學家不斷突破自身，大膽地開拓創(chuàng)新。中科院上海天文臺首次開展了空間VLBI陣列的科學論證，有望推進廣義相對論等基礎(chǔ)物理的進步和完善，是人類向探索黑洞等宇宙神秘天體邁出的重要一步。

[責任編輯：彥 隱]