仰望星空，看科學(xué)家如何探秘“宇宙低語(yǔ)”

仰望星空，近百年來(lái)射電天文學(xué)的發(fā)展及射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明使用，重構(gòu)了人類對(duì)宇宙的理解，延伸了人類的“宇宙之眼”，使深空探索從哲學(xué)思辨邁向?qū)嵶C科學(xué)。而今，大口徑射電望遠(yuǎn)鏡仍在拓展人類認(rèn)知邊疆，持續(xù)追問(wèn)著宇宙的起源與邊際。

接收機(jī)，作為射電望遠(yuǎn)鏡核心零部件之一，在射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)揮其非凡作用的過(guò)程中扮演著舉足輕重的角色。它像一位精通多國(guó)語(yǔ)言的翻譯官，在電磁波的汪洋大海中，精準(zhǔn)打撈所我們需的信號(hào)，再翻譯成能看懂的文字、聽到的聲音。接收機(jī)的這種“信號(hào)翻譯”的能力，不僅能服務(wù)于日常生活，也是探索宇宙的關(guān)鍵所在。今天，就讓我們一起來(lái)了解射電望遠(yuǎn)鏡中的接收機(jī)吧！

南山26米射電望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)：高能破解宇宙“密語(yǔ)”

中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)南山觀測(cè)站的26米射電望遠(yuǎn)鏡，其外形似大鍋，但如果你認(rèn)為這就是它的全部構(gòu)造，那就大錯(cuò)特錯(cuò)了。“大鍋”只是望遠(yuǎn)鏡的一部分，相當(dāng)于手機(jī)的攝像頭，僅負(fù)責(zé)匯聚電磁波；但要把匯聚起來(lái)的電磁波進(jìn)一步傳輸?shù)诫娔X終端，變成科學(xué)家可以直接分析的信號(hào)，便離不開焦平面處放置的接收機(jī)。

南山26米射電望遠(yuǎn)鏡

（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)）

接收機(jī)一般由喇叭饋源、正交模耦合器、低噪聲放大器、濾波器、混頻器等器件組成，目的是將原始的射電信號(hào)放大、濾波及變頻至中頻信號(hào)后，傳輸至數(shù)字終端記錄，再由科研人員進(jìn)行后處理。

這一過(guò)程可類比為：站在離演唱會(huì)舞臺(tái)800米遠(yuǎn)的位置，用手機(jī)清晰地錄制歌手的聲音。首先需要用高靈敏度的麥克風(fēng)增強(qiáng)歌聲音量（放大），然后開啟麥克風(fēng)“人聲增強(qiáng)”功能，過(guò)濾掉風(fēng)聲、車?guó)Q等干擾（濾波），再將原始歌聲降至適合手機(jī)處理的音調(diào)（變頻），最后將降調(diào)后的歌聲保存、修復(fù)，生成高清音頻（后處理）。

望遠(yuǎn)鏡焦平面接收到的信號(hào)紛繁復(fù)雜，包含衛(wèi)星通信、移動(dòng)通訊、廣播電視等諸多干擾信號(hào)，但對(duì)于接收機(jī)來(lái)說(shuō)，它能將這些信號(hào)處理得游刃有余——高能拆解宇宙眾多“信號(hào)包裹”，取出其中有價(jià)值的“數(shù)據(jù)禮物”。

自1993年底建成投入使用以來(lái)，南山26米射電望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)分類拆解了宇宙中各式各樣的“信號(hào)包裹”，而要真正讀懂這些跨越光年的宇宙信號(hào)，接收機(jī)是關(guān)鍵之一。作為南山望遠(yuǎn)鏡的專屬“信號(hào)解碼中心”，中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)微波接收機(jī)實(shí)驗(yàn)室于2011年自主研制的1.3厘米波段雙極化制冷接收機(jī)，為中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)在分子譜線、活動(dòng)星系核和VLBI觀測(cè)領(lǐng)域的研究提供了有力支撐，助力取得多項(xiàng)重要突破及成果。此外，26米射電望遠(yuǎn)鏡的建成使用，使得中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)成為我國(guó)脈沖星實(shí)測(cè)領(lǐng)域最早的觀測(cè)基地，為中國(guó)脈沖星研究打造了重要“數(shù)據(jù)庫(kù)”。

新疆天文臺(tái)南山觀測(cè)站26米射電望遠(yuǎn)鏡配備的1.3cm波段（22-24.2GHz）制冷接收機(jī)

（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)）

接收機(jī)技術(shù)：射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)靈敏度的決定因素之一

射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度不僅與反射面的口徑有關(guān)，還與接收機(jī)密切相關(guān)。靈敏度，即射電望遠(yuǎn)鏡可觀測(cè)信號(hào)強(qiáng)弱的能力，它決定了人類能“聽”到多遠(yuǎn)的宇宙低語(yǔ)。接收機(jī)是電子版的“狗鼻子”，靈敏度堪比警犬，能在嘈雜紛亂的電磁環(huán)境里，嗅出藏得最深的那顆目標(biāo)天體“肉骨頭”。

在射電天文領(lǐng)域，科研人員通常用噪聲溫度來(lái)等效表示接收機(jī)的靈敏度，其數(shù)值直接反映了接收系統(tǒng)自身的噪聲量級(jí)，數(shù)值越低表明接收機(jī)靈敏度就越高，越能探測(cè)到更暗弱的信號(hào)。

位于智利阿塔卡馬沙漠的ALMA望遠(yuǎn)鏡，為了在毫米波/亞毫米波頻段提高其靈敏度，采用液氮冷卻的接收機(jī)，使得接收機(jī)噪聲溫度控制在10K（1K約等于-272.15℃）左右，以抵消高天空背景噪聲的影響，與常溫接收機(jī)（50K）對(duì)比，其靈敏度提高了30%以上，這也是其能探測(cè)到原行星盤等弱信號(hào)的關(guān)鍵因素之一。

接收機(jī)家族大比拼：三種“信號(hào)捕手”的江湖絕技

除靈敏度外，接收機(jī)還有另一個(gè)重要的性能參數(shù)——視場(chǎng)大小。更廣闊的望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)意味著觀測(cè)效率的大幅提升，使得大面積巡天更加有效。現(xiàn)階段世界上著名射電望遠(yuǎn)鏡，以能實(shí)現(xiàn)的觀測(cè)視場(chǎng)為劃分標(biāo)準(zhǔn)，可將接收機(jī)分為單波束接收機(jī)、多波束接收機(jī)和相控陣接收機(jī)三類。它們各自都有哪些核心能力呢？別急，下面為大家一一揭曉。

1.單波束接收機(jī)：像狙擊手瞄準(zhǔn)目標(biāo)，一次只能鎖定一個(gè)方向的目標(biāo)（一片天區(qū)）。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；但受限于其狹小的覆蓋面，想要觀察臨近天區(qū)新目標(biāo)，必須調(diào)轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)方向，在同時(shí)接收多個(gè)天區(qū)方向信號(hào)方面優(yōu)勢(shì)不明顯；

2.多波束接收機(jī)：能同時(shí)伸出N條“電子觸手”（波束），監(jiān)聽鄰近的多個(gè)天區(qū)。其優(yōu)點(diǎn)是等效于多個(gè)單波束接收機(jī)合而為一，大幅提升了觀測(cè)效率。但多個(gè)饋源之間的物理間隔使得最終觀測(cè)的多片天區(qū)并不連續(xù)，且波形固定、靈活性有限。此外，由于體積限制，接收機(jī)裝配波束數(shù)量存在上限，若同時(shí)接收波束太多，會(huì)使得信號(hào)處理器的處理壓力劇增；

3.相控陣接收機(jī)：通過(guò)上百個(gè)微型天線單元協(xié)同工作，利用波束形成算法，使得合成的多個(gè)波束緊密相連，以實(shí)現(xiàn)鄰近多片天區(qū)連續(xù)的視場(chǎng)覆蓋，進(jìn)一步提升觀測(cè)效率；同時(shí)，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整望遠(yuǎn)鏡各個(gè)波束，以實(shí)現(xiàn)反射面面型修正、抗干擾等功能。

它如同一位技藝超群的指揮家，精準(zhǔn)掌控著由數(shù)百個(gè)天線組成的交響樂團(tuán)。每個(gè)天線都是一個(gè)樂手，既能整齊劃一地演奏（聚焦觀測(cè)），捕捉脈沖星等深邃宇宙的獨(dú)奏；也能各司其職地即興合奏（寬視場(chǎng)巡天），搜尋快速射電暴等轉(zhuǎn)瞬即逝的宇宙強(qiáng)音。

不過(guò)，相控陣接收機(jī)雖展現(xiàn)出強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但仍有一定局限性——目前技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)的相控陣接收機(jī)應(yīng)用在0.7-1.8GHz頻段，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)其他頻段信號(hào)的有效處理。

總之，不同類型的接收機(jī)有著獨(dú)有的特性，均在射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著科技的不斷發(fā)展，接收機(jī)的性能將得到進(jìn)一步提高，以滿足人類日益增長(zhǎng)的觀測(cè)需求。

從左至右：?jiǎn)尾ㄊ邮諜C(jī)、多波束接收機(jī)和相控陣接收機(jī)及模擬其單次拍攝到的實(shí)物對(duì)比

（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)）

展望未來(lái)——接收機(jī)助力人類傾聽更精細(xì)的宇宙“聲音”

射電望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)技術(shù)日新月異，其靈敏度、帶寬和視場(chǎng)的持續(xù)突破，不僅能有效提升觀測(cè)效率，還將為大尺度巡天、中性氫成圖、快速射電暴搜尋等科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供重要支撐。

未來(lái)，隨著相控陣接收機(jī)及超寬帶接收機(jī)在大型射電望遠(yuǎn)鏡上的廣泛應(yīng)用，人類將有望傾聽更精細(xì)的宇宙“聲音”，為探索宇宙起源、地外生命等科學(xué)命題提供不可替代的觀測(cè)基石。

出品：科普中國(guó)

作者：王凱云朝昂（中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)）

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