中日韓組「超級望遠鏡」陣列：聚焦緻密天體、超大黑洞、深空探測

EAVN的組成，其中紅色圈指中國的射電望遠鏡，白色圈指日本的射電望遠鏡，藍色圈指韓國的射電望遠鏡。圖片來源：An Tao et al. /Nature Astronomy

撰文 | 左文文 安 濤（上海天文台）

責編 | 葉水送

知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual

多年來，東亞甚長基線干涉射電望遠鏡網路（East Asia Very long baseline Network; EAVN）穩步組建發展。EAVN由來自中國、日本和韓國的21台射電望遠鏡組成，組成的望遠鏡陣列的解析度等效於口徑達5000千米的超級望遠鏡，與各國獨立運行的VLBI網相比，EAVN使得天文學家們能以更高的角解析度、更高的靈敏度探索更遙遠的宇宙，提供了更精確的衛星軌道跟蹤。目前EAVN已開始試觀測，不久將能常規運行觀測，將向全球天文學家開放徵集觀測申請。

近日，來自中國科學院上海天文台的安濤研究員應邀以第一作者兼通訊作者的身份在Nature Astronomy上發表了一篇標題為《東亞甚長基線干涉觀測網的性能和前景》（Capabilities and Prospects of the East Asia Very Long Baseline Interferometry Network）的綜述文章，著重回顧了東亞VLBI網的建設歷程，闡述了當前現狀和觀測性能，總結了早期的科學成果和將來的發展計劃。該論文的第二和第三作者分別為來自韓國天文和空間科學研究所的B. W. Sohn以及來自日本鹿兒島大學的H. Imai。該工作一定程度上，表明中國在VLBI天文研究領域的建設和發展得到國際同行的高度認可。

你可能還在疑問，EAVN具體指什麼？它是如何誕生的？中國在EAVN的誕生與發展過程中做出了哪些貢獻？EAVN具體能帶來哪些科學領域的進展呢？那麼就請隨筆者一起來認識EAVN吧。

射電波也是光

光，即電磁波，為天文學家呈現了宇宙奧秘的重要信息。光不僅僅指我們肉眼所能見到的可見光，還包括比可見光波長更短的紫外線、X射線和伽瑪射線，以及比可見光波長更長的紅外光、射電波（Radio，或無線電波）。這些不同波長的光呈現了宇宙或天體的不同物理性質，綜合起來就能拼出一幅更完整的圖像。

20世紀50年代以來，二戰期間發展的雷達技術應用到天文觀測中，帶來了射電天文學的迅速發展，也帶來了20世紀60年代的四大天文發現——類星體、脈衝星、宇宙微波背景輻射和星際有機分子。

電磁波譜。圖片來自網路，經編譯。

提升望遠鏡的解析度

衡量望遠鏡性能的兩個主要參數：角解析度——表徵分辨得清多小的區域，靈敏度——表徵能看到多暗弱的天體。前者與望遠鏡的有效口徑有關，有效口徑越大，望遠鏡的解析度越高，能看到更精細的天體結構；後者與望遠鏡接收到光的面積有關，一般來說，有效口徑越大，望遠鏡接收到光的面積也就越大，靈敏度也就越高，就能看到更暗弱的天體。

最近十年，中國一批超大型望遠鏡相繼建成和投入運行，中國射電天文的成就令世人矚目。中國500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）是全球最大單口徑射電天文望遠鏡，而上海65米射電望遠鏡（天馬望遠鏡）是亞洲最大的全方位可動的射電望遠鏡，剛剛立項的新疆奇台110米望遠鏡建成後，將是全球最大的全方位可動射電望遠鏡。然而，天文學家對高解析度的渴求，並沒有止步於大型單口徑望遠鏡。在已有射電望遠鏡的基礎之上，藉助1962年英國科學家馬丁?賴爾提出的綜合孔徑技術，便可以加大望遠鏡的有效口徑，將解析度提高到角秒量級（1角秒指三千六百分之一度，月亮滿月時的張角大約是1800角秒）。

所謂甚長基線干涉測量（Very Long Baseline Interferometry; VLBI）技術，就是當相隔兩地的兩架射電望遠鏡同時觀測來自同一天體的射電波，根據各自獨立的時間標準，將天體的射電波記錄下來，然後再將這兩個記錄一起送入處理機進行相關處理，獲取相同的信號到達兩個望遠鏡的時刻差（時延）以及時延隨著時間的變化快慢（時延率）；綜合兩個望遠鏡的位置信息、信號的強度以及上述兩個參數——時延、時延率，就可以對該天體的射電輻射強度和位置進行分析。射電干涉技術的成功實施使得望遠鏡陣列的角解析度相較於單獨每架望遠鏡更高，靈敏度也更高。或者說，這兩架望遠鏡採取這種觀測方式，達到的觀測效果就好像組成了一個等效的大望遠鏡，其解析度相當於一架口徑等於兩架望遠鏡之間的距離（即基線長度）的超大望遠鏡。

甚長基線干涉測量網路，便是利用這一技術，讓處於不同地理位置的多個射電望遠鏡聯合起來，組成一個望遠鏡觀測網路，同時對一個天體進行觀測，VLBI的角解析度由望遠鏡間最大間距（最長基線）決定，相當於一個口徑為幾千千米的超級望遠鏡，從而在綜合孔徑陣的基礎上把解析度再提升了3個量級以上。

EAVN網路有來自中日韓21架射電望遠鏡

EAVN包含了東亞·地區大部分的VLBI台站和數據處理中心：中國的VLBI網路（CVN）、日本的VLBI網路（JVN）、日本的射電天體測量VLBI網（VERA）、韓國的VLBI網路以及分別位於中國上海、韓國大田和日本水澤的數據相關處理中心。

目前，EAVN網路共有21架射電望遠鏡，彼此之間的距離（基線長度）最長5000千米，從位於中國西北的烏魯木齊到日本東南的小笠原群島，從日本東北的水澤到中國西南的昆明，這些望遠鏡口徑在11米至500米之間，觀測的波段在2.3 GHz（十億赫茲）到43 GHz之間。在22GHz這個觀測頻率上，EAVN的最高解析度能達到0.5毫角秒。未來更多的望遠鏡，如正在建設的新疆110米射電望遠鏡和正在籌建的泰國VLBI網路、格陵蘭島的12米望遠鏡等將來也會加入EAVN，韓國和日本的毫米波望遠鏡也會升級設備，提高性能。未來EAVN將成為國際上一個非常重要的VLBI網路。

中國的VLBI網路最早由葉叔華院士於20世紀70年代提出，在她的主持下，第一架射電望遠鏡——佘山25米望遠鏡於1987年建成並開始運行。目前，中國的VLBI網路包括5架射電望遠鏡和位於上海的相關處理中心，常規觀測波段是2.3 GHz和8.4 GHz。中國的VLBI網路曾主要用於深空探測，近年來也拓展至天體物理的應用研究。網路中的一些望遠鏡，如佘山25米望遠鏡、天馬65米射電望遠鏡和烏魯木齊26米望遠鏡本身能在更寬的頻率波段工作，因此還參加了國際上其它的VLBI網路。FAST 500米望遠鏡一旦完成了VLBI觀測系統的調試，也將加入中國的VLBI網路和EAVN，極大地提升它們的探測能力。

2009年5月，位於中國上海、韓國延世、日本水澤的多架射電望遠鏡對準同一天體，留下了EAVN的第一組數據。自此之後，開展了一系列觀測，最多的時候聯合16架望遠鏡在8.4GHz和22GHz開展了試觀測。2017年在6.7GHz、22GHz和43GHz執行了最終的性能測試。2018年，還將繼續拓展到2.3GHz和8.4GHz。首批科學觀測也將於近期執行。

EAVN將由東亞核心天文台聯盟管理，觀測將由專業的支持團隊執行。EAVN的先導望遠鏡 – 由KVN和VERA組成的KaVA陣列 – 已經完成了一些活動星系核、脈澤等方面的科學實驗並發表了相關成果，為EAVN未來的科學運行和操作管理積累了寶貴的經驗。

EAVN關注的領域：緻密天體、超大黑洞、深空探測

EAVN的核心科學研究領域將集中在緻密天體的高解析度（毫角秒或亞毫角秒量級）觀測。這些緻密天體就包括類星體（正在吞噬物質的超大黑洞）、黑洞、星際和恆星周圍的脈澤、脈衝星；通過精確確定它們的位置，可以應用於天體測量學和測地學研究。實際上，EAVN在運作時，能根據科學觀測目標的需求，靈活地配置子陣列和選擇觀測頻率來工作，達到多個頻率探測窗口、多種角解析度和天體不同尺度的空間覆蓋範圍等研究需求。

類星體中心的超大黑洞是如何吞噬周圍的物質的？噴流中的磁場結構如何？產生的噴流結構如何？如何產生噴流？VLBI技術帶來的高解析度和高靈敏度，可以為解答這些問題提供關鍵線索。這也是EAVN重點關注的領域之一。

M87中心的射電結構。圖中的子圖表示由KaVA/EAVN觀測到的黑洞噴流結構，圖中右下角的黃圈表示KaVA的解析度大小，即1.46毫角秒乘以1.21毫角秒；背景是由美國甚大望遠鏡陣列（VLA）在330MHz處觀測到的圖像。圖片來源：An Tao et al. /Nature Astronomy

類似於激光是在光學波段的一種受激發射，脈澤是在微波波段的一種受激發射。目前已經探測到多種天體脈澤分子，如OH脈澤、水脈澤（H2O）、甲醇脈澤（CH3OH）和氧化硅（Si0）等。脈澤普遍存在於宇宙中的各類天體環境中，緻密而且亮。在銀河系中，脈澤一般與正在形成恆星的區域、恆星演化晚期的環星包層以及超新星遺迹等成協。因此，脈澤可以用來示蹤輻射源的物理性質和化學環境等，特別是藉助VLBI技術能很好地分辨出脈澤的位置，確定脈澤到我們的距離，從而很好地限制研究脈澤附近的物理性質和環境，為恆星形成與演化等提供更多的信息。EAVN將發揮它的特長，在該領域大展身手。

第三個領域是深空探測。一個代表性的成功案例當屬中國的VLBI網路在中國探月工程上的應用，幾乎實時收集數據、處理數據，提供航天器的位置，相對位置的精度能達到1米量級。未來，EVAN將繼續在深空探測任務方面（如火星探測等）發揮才能。

超新星、伽瑪射線暴屬於宇宙中最高能的事件，獲取更多的樣本將有助於對它們的物理研究。VLBI的精確定位使得它對這些天體的觀測上佔有不可取代的優勢。VLBI確定天體的距離精度很高，單次觀測對脈衝星的距離測量誤差就能達到2%左右。EAVN也計劃在這些領域開展一些項目。

對於測地學研究，VLBI技術在該領域已有長期積累並展露了它的優勢——最高精度的天體參考架。EAVN的一些望遠鏡已參與了一些地區性和全球性的測地觀測，為人類的生產和生活提供服務。

EAVN的未來應用前景

隨著更多射電望遠鏡的建設和加入，隨著數據處理能力的提升，EAVN的能力將更加提高，在科學和技術上會有更多產出。可以說，穩步發展的EAVN不僅綜合瞭望遠鏡觀測和數據處理資源、為迅速發展的東亞天文學家提供了高水平的VLBI網路，而且加強了區域間科學合作，使得科學產出和技術發展得以最大化。

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製版編輯： 黃玉瑩 ｜

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