射电天文学概况 沈志强 (zshen@shao.ac.cn)
射电天文学概况 沈志强 （zshen@shao.ac.cn）
射电谱段 可见光 X-ray mma Rays 射电谱段（频率跨度107） 超宽电磁谱段 : 超高探测灵敏度：103~106央斯基 signal from a cell phone 1km away:110,000,000 Janskys signal from the sun:1,000,000 Janskys 超高空间分辨率：射电(VLBI)约为HST500倍 超高频谱分辨率：R=f/公f=107 z1.5 笔 皇 早期、冷暗宇宙探测能力 李绵
超宽电磁谱段： 超高探测灵敏度：10-3~10-6央斯基 signal from a cell phone 1km away: 110,000,000 Janskys signal from the sun: 1,000,000 Janskys 超高空间分辨率：射电（VLBI）约为HST500倍 超高频谱分辨率：R=f/Df=107 早期、冷暗宇宙探测能力 z1.5 ALMA 射 电 哈 勃 光 学 射电谱段（频率跨度107） 射电谱段 可 见 光 4
射电天文学 √迄今与天文相关12项诺贝尔物理奖有6项属射电天文 1964年脉泽1974年综合孔径、脉冲星 1978年CMB 1993年新脉冲星 2006年CMB特性 思王 Charles Hard Townes Sir Martin Ryle Arno Allan Penzias Russell A.Hulse John C.Mather Antony Hewish Robert Woodrow Wilson Joseph H.Taylor Jr George F.Smoot 目前国际最大地面天文计划ALMA和SKA都在射电波段 5
射电天文学 迄今与天文相关12项诺贝尔物理奖有6项属射电天文 目前国际最大地面天文计划ALMA和SKA都在射电波段 John C. Mather & George F. Smoot 2006年CMB特性 Arno Allan Penzias & Robert Woodrow Wilson 1978年CMB Russell A. Hulse & Joseph H. Taylor Jr. 1993年新脉冲星 Sir Martin Ryle & Antony Hewish 1974年综合孔径、脉冲星 Charles Hard Townes 1964年脉泽 5
1938 Discovery of cosmic radiation by Victor Franz Hess 1964 Construction of oscillators amplifiers based on the maser-laser principle by Charles Hard Townes,... 1967 Discoveries concerning energy production in stars by Hans Albrecht Bethe 1970 Discoveries in magnetohydro-dynamics with fruitful applications by Hannes Olof Gosta Alfven 1974 Aperture synthesis technique by Sir Martin Ryle 1974 Discovery of pulsars by Antony Hewish 1978 Discovery of CMB radiation by Arno Allan Penzias Robert Woodrow Wilson 1993 Discovery of a new type of pulsar by Russell A.Hulse Joseph H.Taylor Jr. 2002 Detection of cosmic neutrinos by Raymond Davis Jr.Masatoshi Koshiba 2002 Discovery of cosmic X-ray sources by Riccardo Giacconi 2006 Discovery of the blackbody form and anisotropy of the CMB radiation by John C. Mather George F.Smoot 2011 Discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae by Saul Perimutter,Brian P.Schmidt Adam G.Riess 6
1938 Discovery of cosmic radiation by Victor Franz Hess 1964 Construction of oscillators & amplifiers based on the maser-laser principle by Charles Hard Townes, … 1967 Discoveries concerning energy production in stars by Hans Albrecht Bethe 1970 Discoveries in magnetohydro-dynamics with fruitful applications by Hannes Olof Gosta Alfven 1974 Aperture synthesis technique by Sir Martin Ryle 1974 Discovery of pulsars by Antony Hewish 1978 Discovery of CMB radiation by Arno Allan Penzias & Robert Woodrow Wilson 1993 Discovery of a new type of pulsar by Russell A. Hulse & Joseph H. Taylor Jr. 2002 Detection of cosmic neutrinos by Raymond Davis Jr. & Masatoshi Koshiba 2002 Discovery of cosmic X-ray sources by Riccardo Giacconi 2006 Discovery of the blackbody form and anisotropy of the CMB radiation by John C. Mather & George F. Smoot 2011 Discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae by Saul Perimutter, Brian P. Schmidt & Adam G. Riess 6
Atacama Large Millimeter Submillimeter Array (ALMA) 亚毫米波超高分辨率，国际最大的地面天文项目（10亿$，2003-2012 年)，2013年开始运行！ 64x12m+ACA(12x7m+4x12m) 指标：ALMA最长基线达16km,频率为30一950GHz。分辨率可达6毫角秒， 连续谱灵敏度为u小y,谱分辨率高于ks。无与伦比的冷宇宙成像与谱线 观测设备。 科学目标：气体尘埃云、行星等热发射天体的日一地尺度结构；原行星盘的 运动学；银河系分子运的化学成分：光学厚AGN与类星体的运动学；小行 星、彗星
Atacama Large Millimeter & Submillimeter Array (ALMA) ） 亚毫米波超高分辨率，国际最大的地面天文项目（10亿$，2003-2012 年），2013年开始运行！ 64x12m + ACA（12x7m+4x12m） 指标：ALMA最长基线达16km，频率为30－950 GHz。分辨率可达6毫角秒， 连续谱灵敏度为uJy，谱分辨率高于1km/s。无与伦比的冷宇宙成像与谱线 观测设备。 科学目标：气体尘埃云、行星等热发射天体的日－地尺度结构；原行星盘的 运动学；银河系分子运的化学成分；光学厚AGN与类星体的运动学；小行 星、彗星…
NRAO -Thermal Imaging on Milliarcsecond Scales HL Tau ALMA B6 ,1“=14AU ALMA image of the young star HL Tau and its protoplanetary disk.This best image ever of planet formation reveals multiple rings and gaps that herald the presence of emerging planets as they sweep their orbits clear of dust and gas. 8
8 ALMA image of the young star HL Tau and its protoplanetary disk. This best image ever of planet formation reveals multiple rings and gaps that herald the presence of emerging planets as they sweep their orbits clear of dust and gas
SKA SKA总接收面积达一平方公里，传统望远镜设计革命性变化 大接收面积、高分辨率、大视场、宽频段 碟形天线 3300×15m 300M-10G 中频孔径阵列 3000K范围，从中心向外呈旋臂状延伸 250×56m 400M-1.4G 低频AA ◆ 250×180m 70M-450M 南非Karoo 西澳大利亚 9
SKA SKA总接收面积达一平方公里，传统望远镜设计革命性变化 碟形天线 3300×15m 300M-10G 中频孔径阵列 250 × 56 m 400M-1.4G 低频AA 250 × 180m 70M-450M 3000Km范围，从中心向外呈旋臂状延伸 南非Karoo 西澳大利亚 大接收面积、高分辨率、大视场、宽频段 9
SKA 概述：一平方公里阵列射电望远镜SKA是由全球超过十个国家计划合资建造的、 世界最大的综合孔径射电望远镜。1993年京都URS大会由包括中国在内的10国 天文学家正式提议；2006年对不同的单元台站技术概念，SDLN vs LDSN:进行 了初步选择，并确定了两个候选台址；2008-2011年，SKA科学目标和望远镜系 统初步设计工作展开，形成SKA项目执行计划书；2012-2017年，为SKA建设准 备阶段，将分阶段(SKA1和SKA2)实施建设和运行：2017年，进行招标和采 购；2018-2023年，$KA1全面建设；2018-2021年，SKA2详细设计；2020年， SKA1早期科学开始运行；2030年，SKA2全面科学运行。 初步设计：约3300面15米口径反射面天线(Dish)、250个直径约60米的致密 孔径阵列(Dense Aperture Array),以及250个直径约180米的稀疏孔径阵列 (Sparse Aperture Array)组成，阵列延伸3000公里；SKA接收面积将达到一平 方公里；低频覆盖50-350MHz,中频300MHz-10GHz,高频10-25GHz,具备在 多波段同时进行检测和成像能力；SKA具有极大的视场，L波段达几十平方度
概述：—平方公里阵列射电望远镜SKA是由全球超过十个国家计划合资建造的、 世界最大的综合孔径射电望远镜。1993年京都URSI大会由包括中国在内的10国 天文学家正式提议；2006年对不同的单元台站技术概念，SDLN vs LDSN进行 了初步选择，并确定了两个候选台址；2008-2011年，SKA科学目标和望远镜系 统初步设计工作展开，形成SKA项目执行计划书；2012-2017年，为SKA建设准 备阶段，将分阶段（SKA1和SKA2）实施建设和运行；2017年，进行招标和采 购；2018-2023年，SKA1全面建设；2018-2021年，SKA2详细设计；2020年， SKA1早期科学开始运行；2030年，SKA2全面科学运行。 初步设计：约3300面15米口径反射面天线（Dish）、250个直径约60米的致密 孔径阵列（Dense Aperture Array），以及250个直径约180米的稀疏孔径阵列 （Sparse Aperture Array）组成，阵列延伸3000公里；SKA接收面积将达到一平 方公里；低频覆盖50-350MHz，中频300MHz-10GHz，高频10-25GHz，具备在 多波段同时进行检测和成像能力；SKA具有极大的视场，L波段达几十平方度 SKA
Dense aperture array 5大科学目标： Dishes > 宇宙暗纪元探测； 3 cores 星系演化、宇宙学与暗能量； 宇宙生命的摇篮； > 利用脉冲星和黑洞进行引力 的强场检验； Sparse array 宇宙磁场的起源和演化 6大关键技术： 反射面天线； 五大科学目标都蕴含着具有 孔径阵列； 革命性意义的发现。 软件与计算； >信号传输与网络； 中国参与SKA也必将为中国 >信号处理； 天文学家提供众多的潜在发 规模化的可再生能源分配存 现与突破机遇 储及节能技术等
3 cores Dense aperture array Dishes Sparse array 5大科学目标: 宇宙暗纪元探测； 星系演化、宇宙学与暗能量； 宇宙生命的摇篮； 利用脉冲星和黑洞进行引力 的强场检验； 宇宙磁场的起源和演化 6大关键技术: 反射面天线； 孔径阵列； 软件与计算； 信号传输与网络； 信号处理； 规模化的可再生能源分配存 储及节能技术等 五大科学目标都蕴含着具有 革命性意义的发现。 中国参与SKA也必将为中国 天文学家提供众多的潜在发 现与突破机遇
射电天文重大前沿问题 CMB与宇宙大尺度结构 黑洞、脉冲星与引力波 (厘米波~毫米波) (米波~亚毫米波) 137亿光年宇宙演化 ark Energy Accelerated Expansion Afterglow Light Pattern Dark Ages Development of 400,000yrs. Galaxies,Planets,etc. 1100 宇宙生命环境及星际 分子，SETI 米波~THz) ( Quantum luctuations 1st Stars about 400 million yrs Big Ba g Expansion illion years 第一代恒星与星系（宇宙再 电离时代，米波~亚毫米波) 星系演化与暗能量 (厘米波~THz) 12
CMB与宇宙大尺度结构 （厘米波~毫米波） 第一代恒星与星系（宇宙再 电离时代，米波~亚毫米波） 黑洞、脉冲星与引力波 （米波~亚毫米波） 星系演化与暗能量 （厘米波~THz） 宇宙生命环境及星际 分子,SETI （米波~THz） ? z=1100 137亿光年宇宙演化 射电天文重大前沿问题 12