相位陣列反饋成像系統拓寬無線電天文學視野

來自專欄 博科園

為了加快發現和探索宇宙的速度，一個由天文學家和工程師組成的多機構小組開發了一種新改進的非傳統無線電-天文學成像系統，稱為相控陣(PAF)。這種非凡的儀器可以測量天空的大片區域，並能以無與倫比的效率產生天文物體的多重視圖。這款新的PAF設計看起來像一個照相機或其他傳統的成像技術，如光學望遠鏡的ccd或者射電望遠鏡的單接收器，它就像一個微型的樹狀天線，在一米寬的金屬板上均勻地排列著。當安裝在單碟射電望遠鏡上時，專業的計算機和信號處理器能夠將天線之間的信號結合起來，形成一個虛擬的多像素攝像頭。

這類儀器在天文學研究的許多重要領域中特別有用，包括研究我們的星系的氫氣，以及尋找快速的無線電波。多年來，其他射電天文研究機構已經開發了相控陣接收機設計。然而大多數人並沒有達到與傳統的無線電接收器設計相抗衡的效率，這一設計將一個信號從一個地方傳送到另一個地方。新PAF的價值在於，它可以形成多個視圖(或射電天文學術語中的「光束」)，其效率與經典接收器相同，可以更快地掃描多個天文目標。這個新開發的系統幫助PAF技術從一個奇怪的領域研究到一個高效，多用途探索宇宙的工具。

使用這項新設計的國家科學基金會的綠色銀行望遠鏡(GBT)的委託觀測表明，該儀器達到並超過了所有測試目標。它還實現了最低的工作噪音溫度——這是一個通常令人煩惱的問題，可以清楚地看到任何相控陣接收機的天空。這一里程碑對於將技術從實驗設計轉移到完全成熟的觀測儀器至關重要。研究結果發表在《天文學雜誌》上。時相控陣接收技術目前操作或在開發中，新設計顯然提高了標準，給出了天文學社區一個新的、更快速的方式進行大規模研究調查。新PAF是由一個機構聯盟設計的：NRAO的中央開發實驗室、綠色銀行天文台和楊百翰大學。

參與設計、建造和最終驗證這個卓越系統的協同工作確實令人震驚，它突出了一個事實，即新的和新興的射電天文學技術可以對研究產生巨大的影響。新的PAF設計由19個偶極天線組成，無線電接收器類似於沒有覆蓋的微型傘。偶極子的意思是「兩極」，是最基本的天線類型。它的長度決定了無線電的頻率或波長——它能夠接收。在PAF無線電系統中，信號的強度可以在陣列的表面變化。通過計算每個天線接收信號的方式，系統產生了所謂的「點擴散函數」——本質上是一個集中在一個區域的點的模式。

PAF的計算機和信號處理器一次可以計算7個點擴散函數，使接收器能夠合成7個單獨的光束。新設計還允許這些區域重疊，從而對被調查的空間區域形成更全面的觀點。NRAO的中央開發實驗室的PAF小組負責人Bill Shillue說：這個項目彙集了一種最先進的、低噪音的接收機設計、下一代多通道數字無線電技術，以及先進的相控陣建模和波束形成。通過對脈衝星B0329+54和玫瑰星雲的GBT觀測，證實了接收器的天文價值。玫瑰星雲是銀河系中充滿電離氫氣體的恆星形成區域。額外的開發和計算能力可以使同樣的設計在天空中產生更多的光束，極大地擴展了它的效用。

博科園-科學科普｜參考期刊：天文學報｜來自：國家射電天文台