110m口径全可动射电望远镜专辑·编者按

<正>射电天文学诞生并发展于20世纪30年代初,为人类认识宇宙打开了一个全新的探测窗口.二次世界大战后,军用雷达被广泛用于民用天文观测,同时,一大批专用于天文研究的射电望远镜也相继建成和运行,使射电天文进入蓬勃发展的黄金期,直接促成了60年代的现代天文学"四大发现"——类星体、脉冲星、星际分子、宇宙微波背景辐射,使得射电天文成为现代天文学最活跃、最前沿的分支.     

景东120 m口径全可动脉冲星射电望远镜

云南天文台将在云南省普洱市景东县(东经101.0°北纬24.5°)建设120 m口径全可动脉冲星专用射电望远镜(Jingdong Radio Telescope, JRT),工作频率覆盖0.1–10 GHz (3 m–3 cm), JRT建成后将成为世界上最大的单口径全可动中低频射电望远镜.本文主要介绍JRT的科学目标和关键技术,其中科学目标包括:(1)以对全天90%以上最稳定毫秒脉冲星实施长期、高时间密度、高精度的计时观测为手段,开展脉冲星时间基准体系建设和纳赫兹低频引力波探测研究;(2)在脉冲星物理、快速射电暴、引力检验、黑洞及周围物理、VLBI天体测量等领域开展科学研究;(3) JRT还将服务于脉冲星导航、深空探测、空间目标监测等领域的国家战略需求. JRT研制关键技术包括:大口径天线结构设计技术、超宽带馈源技术、低温制冷接收机技术和多功能数字后端等. JRT的建设将促进我国在大型机械设计和制造、自动控制、低温电子和系统集成等工程技术领域的发展,建成后将有助于中国在射电天文领域获得重大科学产出.     

2020年天文学热点回眸

从天文设备和科学研究两大方面,回顾了2020年天文学热点事件和研究进展.在这一年,火星正值大冲之年,火星探测迎来新高潮,"嫦娥五号"成功实现月球挖土,"老将"阿雷西博望远镜宣告"退役","中国天眼"FAST接过接力棒,在揭秘快速射电暴产生机制方面做出贡献,LIGO/Virgo引力波探测器硕果累累,明亮的新智慧星划过北半...     

引力波爆发事件的电磁对应体的探测

双黑洞并合产生的引力波信号由第二代地面激光干涉仪引力波探测器Advanced LIGO第一次直接探测到,开启了探索宇宙的一个崭新的窗口.伴随着Advanced LIGO科学运行期的继续运行,以及未来几年其他第二代探测器,例如Advanced Virgo,LIGO-India的陆续建设和投入使用,将有越来越多的引力波信号被探测到.最新的双中子星并合引力波事件的电磁对应体被探测到,极大地丰富了引力波天文学的科学内容,人类进入全新的多信使天文时代,例如:提高引力波源及其宿主星系空间位置精度估计,确定引力波源的红移、破除引力波模型中的简并参数,确定引力波事件前身天体的物理环境以及其产生的物理机制、测量宇宙学参数等等.由于引力波探测器的定位能力较差(Advanced LIGO~十至几百平方度),探测引力波事件电磁对应体对大视场高能观测设备提出了迫切需求.爱因斯坦探针具有大视场、高灵敏度、全天观测、快速指向能力和数据下传等方面的优势,特别是其大视场和高灵敏度,为引力波事件电磁对应体的探测提供了一个理想的观测平台.爱因斯坦探针的成功运行,将促进引力波天文学和引力波宇宙学的发展,并且使我国在引力波源的电磁波对应体研究方面处于国际领先的地位.     

2017天文学热点回眸

 天文学是一门发现型的学科。2017年天文发现和研究进展目不暇接,一些新的大型观测设备开始运行。从研究进展和天文仪器2个方面遴选了9项具有代表性的天文发现和事件。盘点了引力波、系外行星、最奇特的反复爆发超新星、暗物质卫星公布首个物理结果和第一个系外天体"奥陌陌"发现等研究进展,在天文仪器方面包括了视界面望远镜进行黑洞成像观测、中国HXMT"慧眼"卫星成功发射、"卡西尼号"探测器毁落及中国FAST射电望远镜基本完成功能性调试。随着这些新设备的正常运行,期待2018年得到更多更有趣的发现结果。     

大型射电望远镜天线发展动态及机电耦合应用

射电天文望远镜作为射电天文学中不可或缺的仪器,其平稳运行至关重要.本文首先以引力波的发现、中子星的合并以及首张黑洞照片的拍摄等重大天文发现为切入点,介绍了射电望远镜在射电天文学中的重要性.同时,随着射电天文学步伐的前进,射电望远镜也需要朝着更大的口径和更高的指向精度方向发展,这也使得其中的机电耦合关系愈发紧密.解决射电望远镜的机电耦合问题,发展机电耦合技术也就成为大口径射电望远镜平稳高效运行的关键.为此,本文概述了近10年来已建成并投入使用的射电望远镜,以及在建和将建的射电望远镜的进展,指出了机电耦合技术在射电望远镜设计制造和观测运行中的重要作用.然后,系统性地总结了近年来机电耦合技术在射电望远镜中的发展和应用.最后,基于射电天文学的发展对大口径射电望远镜天线性能提出的苛刻要求,提出未来机电耦合的研究热点.     

大口径射电望远镜超宽带接收机技术发展

新疆奇台拟建的110m全可动射电望远镜(QiTai Radio Telescope,QTT),在引力波探测、黑洞发现、恒星形成、星系起源等基础科学研究领域将发挥重要作用,并可发展应用于深空探测,如探月工程与火星和金星探测.满足众多科学需求需装备超宽带、多波束、高灵敏度接收机系统,而大口径射电望远镜接收机技术面临众多挑战.本文论述了国内外射电天文领域大口径射电望远镜接收机技术发展,包含超宽带馈源/极化器、超宽带低噪声放大器、多波束接收机技术的发展与现状,分析了接收机研制过程中的难点与挑战.基于QTT科学目标和技术进展,给出了初期的接收机系统配置方案,分析了接收机的馈电形式、关键器件研制与选型、关键问题与难点.     

贝叶斯引力波多信使天文学

对于双黑洞、双中子星并合引力波及其电磁对应体、宿主星系的观测开启了引力波多信使天文学时代.本文简要介绍引力波、电磁对应体、宿主星系联合观测在提高信号探测效率、增加对波源物理性质的理解、挖掘波源群族性质等方面的基本概念,重点介绍一个贝叶斯引力波天文学框架处理上述问题的方法和此框架在引力波-宿主星系、引力波-短伽玛暴联合观测方面的应用.     

射电天文频率保护

本文简要介绍目前射电天文研究和射电望远镜的国内外现状。由于所观测的宇宙信号非常微弱,射电天文观测极易受到主动业务的干扰。根据国际电信联盟的相关频率保护规定,通过设立无线电宁静区,保护射电天文观测免受人工信号的干扰。     

空间引力波探测——天文学的一个新窗口

本文内容分为两部分.第一部分通过外尔曲率来阐述引力波这个物理概念,为天体源引力波探测(地面或空间)建立一个基本的理论框架.第二部分中,在中国科学院二期先导研究的基础上,我们进一步地说明空间引力波探测的天文学意义,特别是在探索早期宇宙中星系结构的形成,星系-黑洞共同演化结构等重大天文问题中提供一种全新的观察窗口.简要介绍中国科学院空间引力波探测计划(太极计划)的任务设计,并进一步阐明其科学目标以及与(e)LISA项目的区别所在,最后给出空间任务中关键载荷的初步分析.     

纪念元大都天文台建立730周年暨“天文仪器与天文学发展”专刊后记

2009年是"元大都天文台"建台730周年,又值我国最先进的望远镜LAMOST建成,我国天文学界决定以"郭守敬"冠名LAMOST.为纪念和庆祝这两个具有历史意义的天文学事件,2009年11月7-8日在中国科学院国家天文台召开了主题为"天文仪器与天文学发展"的国际学术研讨会. 此次会议由中国古天文联合研究中心主办,得到了中国科学院国家天文台、中国科学院自然科学史研究所、北京天文馆的大力支持.会议邀请了30多位国内外天文学史家和天文学家参加,其中6位来自国外. 报告的论文以大都天文台和郭守敬的天文学成就为中心,探讨了天文学发展史的多个方面,尤其是中国天文仪器史,涉及古天文遗址研究、天文台和天文仪器、天文观测、天文历法、天文仪器与当代天文学等专题.     

中国射电天文观测和研究展望

综述了中国射电天文观测和研究状况,展望射电天文观测和研究的前景.介绍了中国射电天文观测的主要设备,为培养射电天文观测和研究人材提供相关信息.     

天山射电实验探测极高能中微子和宇宙线

宇宙中微子正开启一个电磁波观测宇宙之外的全新窗口.然而,传统的中微子探测手段由于造价过高,导致探测器有效面积不足或观测时间有限等问题,不便于进行高能中微子(一般认为能量大于1015 eV为超高能,能量大于1018 eV为极高能)的观测.射电阵列,采用造价低、全天候观测的射电天线,可以建造大面积的观测阵列,达到极高能中微子天文学和极高能宇宙线探测所需的高灵敏度.在科技部国家重点基础研究发展计划项目"宇宙第一缕曙光探测"的资助下,原型阵列TREND(天山射电探测中微子探测器)在2011–2012年的运行过程中取得了重要的成果,仅依靠单极化接收天线阵列,首次证明了不依赖于传统粒子探测器的自触发射电探测方式可以对高能粒子大气簇射进行有效探测.我们计划建造一个巨型天线阵列GRAND,这将是世界上1017 eV以上最灵敏的高能中微子望远镜,可以对高能中微子进行有效的观测.     

引力波标准汽笛与宇宙学

双中子星并合的引力波暴GW170817及其多波段电磁对应的发现标志着多信使引力波天文学时代的来临.通过引力波探测器对致密双星并合产生的引力波波型的观测可以独立测量波源的光度距离,这预示着引力波源可以作为"标准汽笛"来研究宇宙的膨胀历史,从而提供了一种研究宇宙学的新途径.本文介绍利用引力波"标准汽笛"来限制宇宙学参数的基本原理,着重讨论各种确定波源距离和红移的方法.同时讨论地基第二代和第三代引力波探测器,以及空间引力波探测器对宇宙学参数,特别是哈勃常数和暗能量参数的限制能力.     

中国空间站大规模多色测光与无缝光谱巡天的设想及其在暗能量研究领域的应用

大型巡天是今后数十年内国际天文学研究的重点方向,高精度大样本的巡天观测将极大地推动暗物质、暗能量、天体起源与演化等天文学和物理学的根本问题的研究.空间站的建设为我国空间天文的发展带来了不可多得的机遇.巡天观测与空间站运行模式相当匹配,而国际上尚未有大型的高分辨率光学与近紫外深度巡天计划,中国空间站正可以在此方向上实现突破,使我国在国际天文界的下一代大规模巡天工作中处于领先地位.本文阐述在空间站上开展大天区面积、高角分辨率、覆盖近紫外-光学-近红外波段的多色测光与无缝光谱巡天的设想,并讨论这个巡天在暗能量研究领域中的应用.     

90年代天体物理学：全波段的利器和新视界

论述了９０年代在全电磁波段发展的大型天文仪器，从空间天文台的γ射线，Ｘ射线，紫外和可见光、宇宙微波背景辐射到地面天文台的可见光与红外和射电，最后介绍中国的大型仪器ＬＡＭＯＳＴ。     

现代天文学进展——宇宙结构的形成与演化

本书是《现代天文学进展》系列丛书第21卷。德国天文学会与欧洲天文学会于2008年9月8—12日,在奥地利维也纳联合举办的“欧洲天文学新挑战”国际科学大会,本书汇集了14篇关于宇宙结构形成与演化研究进展的邀请报告。报告中讨论的热点问题包括：宇宙论、高能天体物理学、粒子天体物理、重力波、银河系与恒星天文学等方面,体现了近代天文学发展路线图。     

爱因斯坦探针:探索变幻多姿的X射线宇宙

爱因斯坦探针(Einstein Probe,EP)是一颗面向时域天文学的、发现型的X射线天文探测卫星,是中国科学院空间科学战略性先导专项十三五规划的空间科学卫星系列任务之一.展望未来十年,时域天文学将进入一个前所未有的、多波段和多信使的大视场监测的黄金时代.在软X射线窗口,灵敏且快速的全天监测为我们提供了一个难得的科学机遇.EP卫星将在这一能段窗口开展时域巡天监测,旨在发现和探索宇宙中的X射线暂现源和爆发天体,并发布预警以引导其他天文设备进行后随跟踪观测.EP的科学载荷包括一台宽视场软X射线监视器(3600平方度,0.5–4 keV)和一台后随观测X射线望远镜(0.3–8 keV).卫星具有快速机动反应能力以及暂现源警报的快速下传功能.由于采用了新颖的微孔龙虾眼X射线聚焦成像技术,其探测灵敏度和空间分辨率比目前在轨运行设备提高了1个数量级,将能监测更远、更大的宇宙空间范围.预期EP将在以下三方面做出贡献:高能暂现天体的系统性巡天监测,发现隐身的沉寂黑洞并测绘宇宙黑洞的分布、研究其形成演化和物质吸积过程,搜寻来自引力波事件的X射线信号并精确定位等.此外,EP的探测目标还将包括从中子星、白矮星、超新星、宇宙早期伽玛暴、X射线闪到恒星耀发等众多的天体和现象,涉及广泛的天体物理学分支.卫星计划于2022年底左右发射.运行寿命为3年,目标5年.     

关于我国未来天文大设备的一点战略思考

本文回顾了近年来国际上天文大设备的现状和发展态势,简要叙述了国内目前天文观测设备的现状,并指出一批重要观测设备的建成标志着我国初步形成了天文学研究的实测基础.一个突出的例子是由我国天文学家自主创新的郭守敬望远镜LAMOST.这是一架新型光谱巡天型望远镜,它的建成标志着我国大型天文光学望远镜技术的突破.正在建设的500m口径球面射电望远镜(FAST)是目前世界上最大的单天线望远镜,它的建成将使我国射电天文研究走到世界前列.本文还介绍了一些已经提出的天文地面和空间大设备计划,并对我国未来天文大设备的发展进行了一点战略思考,提出了一些个人的建议.     

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.