中国大型射电望远镜在引力波探测方面的潜在突破

中国已经建设、正在建设和将要建设成更多的射电望远镜,本文着眼于讨论这些望远镜在引力波直接探测方面的潜在突破.其中,基于最新的脉冲星噪声参数和望远镜设计指标,计算了使用不同射电望远镜以及他们的组合开展脉冲星测时观测的技术能力,在此基础上进一步计算并讨论了利用这些望远镜开展脉冲星测时阵列的可能性及其引力波探测的能力预期.研究发现,大型望远镜如贵州500m口径球面射电望远镜和计划中的新疆奇台110m全可动望远镜的配合将大幅度提高现有国际脉冲星阵列测时能力,建成这些望远镜之后,极有可能在短期内获得重大突破.     

QTT超宽带多波束信号接收与处理系统

新疆奇台拟建的110 m全可动射电望远镜(QiTai Radio Telescope, QTT),主要用于脉冲星观测、引力波及黑洞探测、恒星形成和星系起源等基础科学研究领域.为了满足众多科学需求,将配备各种超宽带、多波束、高灵敏度接收机与处理系统,其主要功能是将射电望远镜收到的微弱的电磁波信号经接收机放大、滤波、变频之后在数字终端进行处理.由于该系统决定了射电望远镜的工作带宽、瞬时带宽和视场,并与灵敏度具有紧密联系,因此作为该大型射电望远镜的重要组成部分,对于望远镜的性能具有至关重要的作用.本文具体展示了QTT超宽带多波束信号接收与处理系统配置方案和主要性能指标,系统地论述了QTT接收机与信号采集与处理系统初步技术方案,分析了信号接收与处理系统的关键技术问题.     

基于多波束接收机的FRB实时搜寻终端设计

快速射电暴(Fast Radio Burst, FRB)是一种偶发的、瞬时射电暴,为了探测到更多的样本进行研究,本文基于多波束接收机开发了一套实时搜寻终端,该系统包括信号采集与处理、单波束信号处理、多波束信号合成与分析、探测结果存储与发布等单元,可以对多路波束信号进行同时采集和分析,利用多波束的信号参考效应消除干扰,提高探测准确率.在某射电望远镜上进行了观测实验,通过捕捉脉冲星的单脉冲信号检验了FRB信号的探测功能,结果表明该终端可实现准确、实时的FRB探测.     

FAST——脉冲星观测研究的利器

 2016年9月25日落成的中国自行设计建造的500 m口径球面射电望远镜（FAST）是目前全世界最大口径的射电望远镜。在调试期间已成功发现了脉冲星,实现了国内设备发现脉冲星的零突破。脉冲星是宇宙中的一类奇妙天体,是验证强引力场、强磁场和高密度等极端物理环境下物理规律的"天然实验室"。作为脉冲星研究的利器,预计FAST大规模巡天能够大幅提高已知的脉冲星数目。FAST还将在低频引力波探测、脉冲星物理、星际和星系际介质探测、脉冲星时间尺度建立及脉冲星导航等领域取得突破性进展。在上述研究中,国内天文设备取长补短、相互补充,有望实现中国脉冲星观测研究跨越式发展。     

脉冲星数字终端技术综述

脉冲星数字终端是脉冲星观测和搜寻的重要设备,可实现模拟信号的数字化及脉冲星信号处理.随着脉冲星研究的不断深入和数字技术的迅速发展,对脉冲星数字终端的性能要求也在不断提高,需要在更宽带宽、更高的时间分辨率与更高的频率分辨率下进行高速采样、实时分析与处理.本文以国内外主要脉冲星观测射电望远镜为基础,回顾了脉冲星终端的发展历史,综述了目前主流大口径射电望远镜脉冲星数字终端的现状.在调研和分析已有和正在研制的脉冲星数字终端的基础上,构思和讨论了采用开放RFSoC平台+GPU集群为基础的QTT终端系统的设计方案和研制思路.     

SKA低频成像系统在中国SKA区域中心的部署

平方公里阵列(Square Kilometre Array, SKA)将成为世界上最大的综合孔径射电望远镜.凭借其高分辨率、超高灵敏度和超快巡天速度, SKA能以前所未有的细节探索宇宙.连续谱巡天是SKA的几个主要观测模式之一,为理解和认识射电天空奠定基础. SKA探路者设备已经运行了几年,积累了丰富的巡天观测数据.中国天文学家正在为中国SKA区域中心(China SKA Regional Centre, CSRC)的建设进行积极的准备,已经完成了原型机.本文详细介绍了在CSRC原型机中部署SKA低频数据处理系统的进展.默奇森宽场阵列(Murchison Wide-field Array, MWA)是SKA低频阵列的先导项目.我们使用MWA的观测数据来验证成像管线系统的部署并测试其正确性. CSRC原型机的数据处理结果与已发表的结果一致,表明在CSRC原型机上部署开发的并行数据处理系统取得了巨大成功.而且,该原型机的灵活适配性和可扩展性使其可以轻松扩展,支持未来SKA第一阶段试运行期间的大规模连续谱成像实验.这些经验将有助于改善成像管线系统,并有助于完善CSRC.     

FAST的进展——科学、技术与设备

随着射电天文学的发展,高灵敏度的大口径射电望远镜成为射电观测的重要设备.我国正在建设中的500 m口径球面射电望远镜(FAST)将成为世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜,它有望在中性氢巡视、脉冲星搜索、国际VLBI网联测及地外生命搜寻等重要前沿领域取得突破.本文介绍了FAST工程概念的提出及望远镜概况,列出了FAST的主要科学目标及早期科学准备,重点叙述了FAST工程在科学、技术与设备方面的最新进展,并对FAST工程的发展做出了展望.     

天马望远镜在嫦娥三号测定轨VLBI观测中的应用分析

天马望远镜(上海65 m射电望远镜)于2012年10月完成了第一阶段建设并具备了S/X,L,C波频段的VLBI观测能力.2013年12月全程参加了嫦娥三号着陆器和月球车X频段的VLBI测定轨测定位任务.在嫦娥三号中,利用天马望远镜代替上海佘山25 m射电望远镜,使中国VLBI观测网的灵敏度提高至1.67倍.同时,利用2比特采样代替嫦娥二号的1比特采样,使灵敏度提高至1.38倍.上述两项措施使定轨后的ΔDOR型VLBI时延残差由嫦娥二号时的1.77 ns降至嫦娥三号时的0.67 ns,着陆器和月球车同波束VLBI差分相时延随机误差降至0.011 ps rms.本文在介绍天马望远镜及其X频段致冷接收和数据采集系统的基础上,对其在嫦娥三号测定轨VLBI观测中的应用进行分析.     

脉冲星J2313+4253的周期性消零和奇偶调制特性的研究

脉冲星子脉冲的强度调制特征对揭示脉冲星辐射过程和磁层几何具有重要意义.前人研究表明,PSR J2313+4253的单脉冲序列具有44倍和2倍自转周期的强度调制.其中2倍周期的调制周期被称为奇偶性调制,其物理起源并不清晰.本文利用佳木斯66 m射电望远镜的观测数据,对脉冲星J2313+4253在2250 MHz的单脉冲辐射特性进行了详细研究.通过相位分离涨落谱(LRFS)、谐频分离的涨落谱(HRFS)和二维涨落谱(2DFS)的分析方法,发现PSR J2313+4253的奇偶性调制来自于其短周期子脉冲漂移,并且调制现象展现出了时间依赖性.分析表明,旋转木马模型下,奇偶性调制可能起源于脉冲星火花放电过程中,辐射区子辐射束间边界不清晰而发生的混叠效应.     

改进的道夫-切比雪夫加权的波束形成方法

在阵列信号处理中端部激励状态最易发生变化,影响信号处理效果.为此,提出一种改进的道夫-切比雪夫加权的波束形成方法,成功地降低了阵列的端部灵敏度,它是传统道夫-切比雪夫加权方法的改进.它继承了道夫-切比雪夫加权的优点,即:在给定旁瓣高度的要求下获得最窄的主瓣;在给定主瓣宽度要求下获得最低的旁瓣.同时规定参数把波束分成了均匀旁瓣与下降的旁瓣2个区,从而降低了阵列端部灵敏度.     

媒体纵览

正"天眼"FAST接收到脉冲信号近日,FAST科研人员通过一次试验性观测,成功接收到来自1351光年外一颗脉冲星发出的脉冲信号。由于脉冲星在自转时速度会逐渐变慢,其转动快慢之间的能量差就会转化为辐射,从而被FAST望远镜所接收。目前接收到的这颗脉冲星并没有明显的特征,因此为了方便进行科学研究,它被命名为"J1921正2153",这也是这颗星所处的位置坐标     

新疆天文台脉冲星数据检索

新疆天文台南山观测站25 m射电望远镜(简称NSRT) 2002年L波段常温接收机制冷改造完成后,脉冲星观测系统灵敏度达到了0.4 m Jy,实现了200多颗脉冲星的常年监测. NSRT通过近20年的观测产生了大量有价值的科学数据.南山观测站脉冲星数据通过300 Mb/s专线传输到70 km外的新疆天文台本部数据中心进行长期存储,通过南山观测站及新疆天文台本部的数据存储系统实现了脉冲星数据的远程异地容灾备份.元数据提取、数据归档及发布由位于新疆天文台本部的数据发布系统完成,截至2018年11月底已发布脉冲星观测数据87000多条,最大文件1 GB,脉冲星数据格式为PSRFITS.脉冲星数据服务提供了锥形检索及多目标约束检索,数据发布基于虚拟天文台标准并已将脉冲星数据服务注册到国际虚拟天文台联盟,用户可通过标准虚拟天文台工具实现检索、访问与处理.     

阵列结构型空间碎片光电望远镜观测精度分析

阵列结构型空间碎片光电望远镜(SDPTA)具有通用性强、视场大、单元众多、覆盖空域广、可靠性高等优点,针对国内首台阵列结构型空间碎片光电望远镜产生的大量观测数据无法识别的问题,提出一种基于两行轨道根数(TLE)数据的快速匹配识别方法。通过计算北美防空司令部(NORAD)发布的TLE数据对阵列结构型空间碎片光电望远镜的观测数据关联比对,用以识别空间碎片;并利用CPF(consolidated prediction format)星历的数据对已识别的数据中的激光星进行外符精度分析,检核识别准确性并对该阵列结构型空间碎片光电望远镜观测精度进行分析。经计算,该阵列结构型空间碎片光电望远镜外符精度为7. 9″。计算分析表明,利用TLE数据对未知碎片进行识别的方法准确有效,望远镜的观测精度达到了设计指标。     

FAST望远镜新发现一批脉冲星

正近日,我国科研团队利用FAST望远镜(500米口径球面射电望远镜)开展银道面脉冲星巡天,并取得重要进展。我国科研团队新发现了201颗脉冲星,相关研究成果作为封面文章发表在《天文和天体物理学研究》上。脉冲星是大质量恒星死亡后的残骸,是宇宙中密度最高、磁场最强、自转最快、相对论效应显著的一类天体,既是研究宇宙极端环境中物理规律的理想实验室,又是天文和物理的前沿研究领域。     

Hurst指数在脉冲星计时残差分析中的应用

利用从北美计时阵(NANOGrav)观测的14颗毫秒脉冲星数据,在时域范围内分析了计时残差的观测特征.通过研究发现,脉冲星计时残差的均方根与Hurst指数取值无关.长观测时间跨度有利于Hurst指数判断残差的有偏特性.通过比对数据,多种计时噪声估计均表明,Hurst指数分析能有效判断脉冲星计时残差数据是否存在低频红噪声,这有利于与主流红噪声分析方法互相证认.上述结果将进一步拓展脉冲星计时噪声在时域的分析.     

SKA建设准备阶段关键问题研究

平方公里阵(Square Kilometre Array,SKA)是即将建造的世界最大综合孔径射电望远镜.自1993年SKA国际合作启动以来,包括中国在内20个国家逾100家机构科技人员参与其中.SKA现处于建设准备阶段,中国参与了10个国际工作包联盟中的6个.开展反射面天线、孔径阵列技术、宽带单波束馈源、相位阵馈源、信号与数据传输、科学数据处理等SKA关键技术设计及试验.2015年发布的新版《国际SKA科学白皮书》中,中国学者总计参与了其中20%的章节.SKA基线重订后,20余位国内天文学家参与了13个科学目标工作组的11个.确立了我国SKA科学目标"2+1"战略,并在宇宙再电离探测及SKA核心数据处理方法等方面取得重要进展.2015年6月,中国参与SKA第一阶段建设的建议通过了中国科学院学部咨询评议.SKA被列入十三五规划.持续探索有限科学目标、致力于高精度轻型天线设计与工艺等技术研究,建造自己的望远镜阵列,打造SKA区域数据中心,将提升我国天文和相关技术水平,实现国际大科学工程中的"中国创造".本文简述了SKA历史脉络,综述了SKA建设准备阶段国内外主要进展,探讨了中国SKA未来计划.通过对SKA关键科学技术问题进行研究,自主研制了中国SKA验证天线DVA-C系统,成功观测到银河系中性氢和若干脉冲星.     

自适应光学技术在天文观测中的研究进展

自适应光学技术克服大气湍流的干扰,使大口径光学望远镜的角分辨率不再受限于大气相干长度,成像接近光学系统的衍射极限.自适应光学技术在波前探测、校正和提高成像视场等方面的不断进步,极大地促进了天文学的发展.目前,天文观测中的自适应光学技术按应用主要分为三类:传统的大视场高分辨率天文观测、系外行星观测和太阳观测等.它们对自适应光学技术的要求各不相同,本文分别对自适应光学技术在这三方面的应用和其他关键单元技术的进展,进行了详细的总结与展望,这些对未来我国发展大口径自适应光学望远镜有参考价值.     

太阳大气等离子体动力学射电成像探测系统

揭示太阳爆发活动的起源、研究太阳活动规律、预测预报太阳爆发事件的发生既是一个重要的天文学问题,也是保障近地空间环境安全和众多现代高技术系统安全运行的重要依据.要达到这一目标,要求望远镜具备探测太阳元爆发、并能覆盖太阳爆发能量释放区域和传播演变区域的能力.上述科学需求和太阳望远镜技术的发展趋势表明,未来伴随地基大口径光学望远镜的发展,将主要向太阳空间望远镜发展,地基则应该是发展大型射电望远镜设施.本文指出在我国现有的新一代厘米-分米波射电日像仪MUSER和即将建设的子午II期米波-10 m波射电日像仪的技术基础上,未来可建设一个地基望远镜探测阵列,其最大基线长度为30 km左右,最高空间分辨率达到0.2″,具备对太阳大气等离子体中各种爆发现象的元爆发过程进行详细观测的能力.本文对相应的阵列方案、技术参数进行了初步的研究和设计.     

X射线脉冲星自主导航的脉冲轮廓和联合观测方程

现在通用的X射线脉冲星导航的3维观测方程,是以3颗脉冲星发射的脉冲到达航天器和太阳系质心的时间偏差为观测量建立起来的.在实际测量过程中,这个观测量是通过比较航天器探测到的脉冲观测轮廓与相应脉冲星的标准轮廓得到的,而在累积观测轮廓的同时也得到了观测轮廓的周期,因此根据Doppler速度测量方程,就能够确定航天器的速度矢量.本文首先导出Doppler速度测量方程,提出在观测轮廓的积累过程中考虑航天器的速度和加速度,得到的观测轮廓的周期不同于标准轮廓.这样,将探测3颗脉冲星得到的观测轮廓与相应的标准轮廓进行比较时,可以同时获得脉冲到达航天器和太阳系质心的时间偏差和频率漂移6个观测量,从而确定航天器的3维位置和3维速度.由于信息量增加一倍,6维观测方程比现行观测方程更为精确和完整.     

基于加权稀疏约束的稳健Capon波束成形性能比较

分析比较了几种加权稀疏约束的Capon自适应波束成形算法的性能,这些算法利用天线阵列增益的稀疏分布特性,存在抑制旁瓣,能降低干扰零陷,提高系统稳健性.通过仿真分析发现:相比于传统的Capon波束成形算法,稀疏Capon波束成形(SCCB)算法和加权稀疏Capon波束成形(WSCCB)算法的旁瓣和干扰零陷均有所降低,但是都存在着干扰零陷不准现象.