口徑比地球還大的望遠鏡

1609年，伽利略打造了一架望遠鏡并用來觀察天體。借助望遠鏡伽利略發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星繞著木星轉(zhuǎn)，太陽有自轉(zhuǎn)并且有太陽黑子，月球上有環(huán)形山。望遠鏡為人類打開了一片新的視野，天體的更多奧妙開始逐步被人類認識。

望遠鏡的口徑直接影響進光量以及分辨率，限于當(dāng)時的技術(shù)水平，伽利略折射式望遠鏡的口徑比較小，這使得伽利略的天文觀察受到一定限制。1668年牛頓發(fā)明了反射式望遠鏡，為望遠鏡帶來了新的成像原理，同時也使望遠鏡的口徑得到較大提升。反射式望遠鏡利用拋物面或球面將光線匯聚到鏡筒前端的一個小平面鏡上，再經(jīng)平面鏡反射到鏡筒側(cè)方的目鏡中，這樣就能看到要觀察的影像。

可見光在電磁波譜中只占很窄的一段，射電望遠鏡能夠從射電部分探索浩瀚的宇宙，射電望遠鏡的基本原理和牛頓的反射式望遠鏡的基本原理是一樣的。1937年，雷伯建造了一架口徑為9.45米的拋物面天線射電望遠鏡，這是人類歷史上第一架用于天文觀測的射電望遠鏡。射電望遠鏡問世不到100年的時間里，重大天文發(fā)現(xiàn)接二連三，天文學(xué)迅猛發(fā)展，同時也對射電望遠鏡的口徑有了更高的要求。中國的FAST單天線的口徑達到了500米，投入使用以來發(fā)現(xiàn)了數(shù)百顆脈沖星，并在快速射電暴等研究領(lǐng)域取得了系列重大突破。

500米的口徑，這樣的射電望遠鏡的確是夠大，但是天文學(xué)對更大口徑的追求是永無止境的。比如要給銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞拍照片，要用地球那么大口徑的望遠鏡，這么大的望遠鏡該怎么建造？
射電望遠鏡可分為連續(xù)孔徑和非連續(xù)孔徑兩類。最經(jīng)典的單天線射電望遠鏡就是連續(xù)孔徑射電望遠鏡。非連續(xù)孔徑射電望遠鏡往往要由多個天線構(gòu)成，總的靈敏度取決于天線的總面積，總面積越大靈敏度就越高。上世紀40年代，英國天文學(xué)家馬丁·賴爾發(fā)明了雙天線射電干涉儀，用兩臺性能相同的射電望遠鏡天線接收同一射電源的射電信號，兩束射電波發(fā)生干涉。依靠此技術(shù)射電望遠鏡的等效口徑可達到兩天線間的距離，從而大大提高了射電望遠鏡的分辨率。50年代賴爾又提出了綜合孔徑射電望遠鏡的設(shè)計思想，使射電望遠鏡獲得了射電圖像。到了1963年賴爾研制出兩天線最大變距為1.6千米的綜合孔徑射電望遠鏡。賴爾的工作開創(chuàng)了天文學(xué)的新紀元，上世紀60年代的天文學(xué)四大發(fā)現(xiàn)都與射電望遠鏡有關(guān)。1974年賴爾和用射電望遠鏡研究脈沖星的休伊什獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，這是諾貝爾獎首次頒發(fā)給天文學(xué)家。

綜合孔徑射電望遠鏡并沒有停止進一步的發(fā)展步伐，到了70年代，天文學(xué)家發(fā)明了甚長基線干涉儀（VLBI），將不同國家的大型射電望遠鏡聯(lián)合運用起來。由于地球的自轉(zhuǎn)，射電源到不同射電望遠鏡的時間差會不斷變化，兩路信號想關(guān)就會獲得干涉條紋，經(jīng)過一系列處理后就可以獲得射電圖像。用這種方法最大可以獲得等效口徑相當(dāng)于地球直徑那么大的射電望遠鏡。

2017年4月，天文學(xué)家將北美洲、南美洲、歐洲、南極洲的8臺毫米波射電望遠鏡組成干涉陣為M87中心黑洞拍攝照片。基線長度即等效口徑達到了1萬千米，幾乎就是地球直徑那么大。拍照花費了4天時間，之后又經(jīng)過2年的沖洗，2019年4月10日事件視界望遠鏡團隊給出了第一張黑洞照片。黑洞的存在有了照片實證后，三位研究黑洞的科學(xué)家獲得了2020年的諾貝爾物理學(xué)獎。

如果把射電望遠鏡送出地球，射電望遠鏡的等效口徑就會突破地球尺寸的限制，這就是空間VLBI技術(shù)。更大口徑的望遠鏡是天文學(xué)家不斷的追求，空間VLBI技術(shù)定會獲得讓人驚嘆的天文發(fā)現(xiàn)。