EDA365欢迎您登录！
您需要 登录 才可以下载或查看，没有帐号？注册
x
本帖最后由 alexwang 于 2020-5-7 09:46 编辑 ' u6 g4 N, F! A
8 d- P% l# C8 H* t1 ^# bEDA365原创 作者：汪洋大海
% T: X, B& o& F$ p n( U6 o
这几天，天文界发生了一件大事，发布了第一张黑洞照片，这让人类第一次通过肉眼看到了真实的黑洞面貌。 , @$ }! }1 ~* f+ }$ u7 }
' H. |% u: d/ k' L
当人们纷纷讨论什么是黑洞的时候，我们来一起聊一聊，这次观测黑洞的功臣---射电望远镜。 ! E6 v& J, M: @% [! H
# S& E9 @: X S" J( a& M
提到望远镜，大家的通常的概念是这样的： ! r6 _1 w# R" H" W
4 W! W& f! u# r7 Y" w" {普通的天文望远镜只能用于观测可见光波。但是受限于光学望远镜的尺寸，很多遥远的天体无法用光学望远镜来探测。
; T' C- J, Q$ [2 p1 j
! l9 Y o( [) o% r1 a5 Y( c( V0 J直到科学家发现，宇宙天体不但会辐射可见光波，它同时也在不断的向外辐射波长大于光波的电磁波。
7 v( z$ N$ j# T& P! G2 {
$ h$ s2 [! M$ O* S这时候，就是射电望远镜出场的时候了！ # j4 V2 S) y" J' K6 V
0 _, l! _! i8 Z5 a/ t w% U0 ?
射电望远镜既然是用来接收电磁波的，那么它本质上就是个接收机系统。 简单来说它包括接收天线，接收放大电路，变频输出电路： 5 T9 l% ]/ ]$ }8 R" M F6 b
7 P) }7 I: y8 J; q, M( M
接收机系统的灵敏度做的越高，接收到的有用信号就越强，在给黑洞拍照的时候，图像就会更清晰。 提高灵敏度的方法有两个，一是提升天线的接收增益，二是降低接收机本身的噪声。 受限于当前科技水平，降低接收机本身的噪声已经做到极致，而且白噪声始终存在，无法消除。所以，提升天线的增益是提高灵敏度最重要的途径。
- U3 J' ]3 ^5 O& O2 d
3 o: x) L2 b7 p) J. y% T) w4 b% s
! v; ?8 F! \+ E3 Y# i! i" f7 _2 g, g2 U! ] G; j
如何提高天线增益呢？在之前的文章中，我们多次提到，天线口径越大，则天线增益越高。而对深空天体的探测又同时要求超强的方向性。 所以大尺寸的抛物面天线是射电望远镜的理想选择，它不但具有超高的效率和增益，同时又有超强的方向性。
$ v5 x% R) t6 z8 m# r4 I( u
+ }9 z3 g. Q; C2 d4 u0 F! I它可以是这样的： / Q* \, v% G3 T9 T& Y
: U. W7 L1 N+ H3 K4 y K, G9 @
也可以是这样的：
) j2 Z$ Z0 B8 A/ s5 @2 p# d T
`' I) [$ F, R# L! K还可以组成天线阵，带来更强天线增益，和接收灵敏度：
; p8 M2 Z( b' F% y$ U
4 z: ^& p% `) k" B: C& A! N+ W此次观测中，位于智利的ALMA 望远天线阵就对提升整体观测灵敏度起到非常大的作用。
& z& @, Y8 }5 r T& b8 W8 {0 K% }( b' N
提升接收机系统的灵敏度，还有一个途径是降低接收机本身的噪声。学过射频的同学都知道，热噪声功率是-174 dBm/Hz。热噪声是固有噪声，无法被滤除。 但是，这里有个隐藏点，就是-174dBm/Hz是在常温17℃下测得，当温度向绝对零度靠近时，热噪声功率将大幅下降。 假设将整个接收电路系统都泡在液氮中，那么在-197℃的低温下，接收电路的热噪声将下降到-180dBm/Hz，这对灵敏度的提升大有帮助. 而实际射电望远镜接收机系统可能工作在比液氮温度更低的温度下。
' h% u+ Z; y* H! `( s9 M% w0 L- b# d* ^7 G2 A0 ^. P7 v
给黑洞拍照，不但需要超高的灵敏度，还需要超强的分辨率。否则，你看到的黑洞照片将是这样的：
6 ]0 `' O. {0 D. A9 ^5 I" J& o! P3 P* X- Y; k& Y1 d& j5 I# L
这是因为，如果天线没有足够的分辨率，它将无法区分辐射点源。要提升天线的分辨率，就需要让天线的辐射波束宽度变窄, 让分辨角度变小。 - Q3 g Q0 ], n: T5 g3 a U
7 L7 @5 }! b: A, Z V& C: w虽然，不断增大天线口径，以单个天线的超强的方向性也可以获得非常高的分辨率，但是，对黑洞观测所需的分辨率来说，不但难以实现，而且非常不经济。
3 a1 M0 v0 |$ M& I9 j( ^
; N0 a* t9 ~7 @6 W) {) b6 r7 E怎么办呢？这次的黑洞观测采用8地联合观测的方法来提升观测分辨率。8地联合组成一个口径合成阵列射电天线系统，用天线名词解释就是：甚长基线干涉仪（VLBI）。 * T* r% D: l! d/ t( e$ x" ?3 G3 F
( l5 b, X2 B+ J/ ^3 w% }其基本原理可以近似的用光的干涉来解释。光干涉的原理是，来自同一光源的光线在穿过两个有一定间距的细缝后，在光照空间中产生明暗相间的条纹。 & Z8 G, G! ^8 a- X# v
7 O. K0 q% u \" y
而电磁波本质上属于不可见光波，所以我们可以利用干涉原理，获得类似的结果。
: e2 G9 `8 B6 h, j
( Z, l$ e/ R4 [; F5 F% @看，干涉波出现了很多波瓣，每个波瓣的宽度相比原天线的波瓣宽度有了大幅度的减小，每个波瓣都携带不同可见函数信息，然后需要通过非常复杂的计算，得到的实际的观测结果。 波瓣减小，则分辨角度变小了，天线的分辨率也就得到了提升。这样的干涉仪，其最小分辨角度为为：
) B/ U7 T( C6 x0 i
/ j8 K' v' y' J' Q4 @5 f1 |+ s l从公式我们可以得到一个结论，构成干涉仪的天线间距越大，其分辨角度越小，分辨率越高。 所以此次视界面望远镜阵列中，位于南极的SPT望远镜，和位于格陵兰岛的亚毫米波望远镜在提高天线分辨率的工作中，功不可没。它们之间10000千米的距离让VLBI的分辨角度达到了角微秒级。这相当于能够用肉眼看清5公里外的一根头发丝！ 4 t( j! _% X) q3 H& [6 X" ?
. G9 E8 U# {, C0 N- A但即使如此高的分辨率，黑洞照片仍然比较模糊，因为它实在是太远了，在观测面的角跨度也刚刚达到和VLBI相当的级别。也就是说，整个黑洞在我们的每次观测中可能仅仅是一两个像素点。
( R8 P) u6 |; F/ O b2 J' {$ u J6 t, w4 {2 F! ^
人类的未来在于星辰大海，这次给黑洞拍照仅仅是射电望远镜工作的一小部分。在人类探索宇宙的进程中，射电望远镜将继续充当深空观测的先锋。 随着技术的进步，未来一定会有由外太空的射电望远镜组成的VLBI阵列，为大家带来更清晰的天体大片。
6 f* b G# x" p" S
插画绘制丨弯弯
?6 D' K& e6 v. J" k注：本文为EDA365电子论坛原创文章，未经允许，不得转载。
8 O+ Y" M& o J | 
/1 
发表于 2019-4-16 16:07
收藏
淘帖
支持！
反对！