射电望远镜科普系列之三：神秘的射电望远镜是如何工作的？

浩瀚宇宙的神秘是我们无法想象的，宇宙到底有多大，宇宙为什么在加速膨胀？我们对宇宙的了解也就是刚看到一丝曙光，太多的科学问题和基本的物理问题需要通过射电天文观测手段开展，也就是需要依托超级灵敏的射电望远镜。

加速膨胀的宇宙

射电望远镜，我们大多数人都见过？它是用来接收遥远太空中星体辐射出的无线电信号，科学家通过分析接收信号的特征，进而寻找生命的形成、宇宙的演化、星体的演变等基础的物理问题，又或者通过时间、距离尺度的差异化开展科学观测研究，用来验证相对论、量子力学等基本的物理理论问题。

接收无线电信号

射电望远镜可不是用眼睛看的。

射电望远镜不同于光学望远镜，光学望远镜主要采用成像技术，就像照相机的原理一样，是我们能够看到的。而射电望远镜采用无线电技术，接收的天体信号是我们用眼睛是看不到的，就像收音机接收的广播信号一样。

射电望远镜和光学望远镜的区别

射电望远镜是怎么工作的呢？

第一，我们首先需要将望远镜指向需要观测的天体，而且望远镜要指得非常准才可以。当望远镜指向来自宇宙天体时，它的微弱信号被望远镜（这个“锅”）的主反射面汇集、放大、反射至副反射面，信号进一步经过副反射面汇集、反射至“锅”焦点，这个过程望远镜是用它的 “锅”将信号进行放大。也可说说，望远镜的“锅”面积越大，对信号的放大能力越强，望远镜接收信号的能力越强。

射电望远镜的工作原理

第二，被“锅”汇集放大后的天体信号进入到焦点处的馈源喇叭。而实际上，馈源喇叭仅仅是接收机的一部分，接收机将天体信号进一步放大、滤波、变频等处理，调整信号带宽、强度等，确保与天文数据处理系统的处理能力相匹配，满足天文的观测要求。

射电望远镜接收机

通常来说，受到核心微波器件性能瓶颈的限制，接收机的带宽无法做到很宽，也是就是说，科学家想要开展不同频段的观测，就需要不同频段的接收机，这是因为不同波长的电磁波背后都有对应的科学问题。所以，为了能满足科学家的要求，技术人员通常在焦点处安装多套接收机，这样，便可以开展更多、更丰富的科学研究。下图我们看到望远镜焦点处安装了多个馈源喇叭。

焦点处不同频段的馈源

对于实际的观测，观测人员依据不同的科学任务，更换不同的接收机，也就是需要把接收机的馈源喇叭旋转到望远镜的焦点位置，确保望远镜的观测效率。我们可以看到接收机系统集成度非常高，而且性能也非常的优良，是望远镜最核心的设备之一。

接收机房内不同频段的接收机

第三，天体信号通过接收机放大、滤波、变频处理后，进入到天文数据处理系统。早先受数字设备采样率、采样带宽、尺寸、功耗等的技术指标的限制，通常来说不同的科学观测需要不同的数据采样和数据处理系统。

单块数据处理板

近年来，随着高速集成电路、自动化、软件、计算机、存储技术的发展，天文数据处理系统的能力越来越强大，很多天文台也开发了通用型数据处理平台，在这种平台上可进一步开发和扩展的不同的数据处理模块，实现不同的科学观测需求。

天文数据处理系统

第四，科学家做好观测纲要后，工程技术人员依据观测要求，控制射电望远镜切换到需要的接收机通道，并选择满足要求的天文数据处理设备。随后，控制射电望远镜指向要观测的天体，并进行数据的记录、处理、和存储。经过处理后的数据将存在大型数据服务器中。

典型的VLBI数据处理终端和存储系统

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