[科普中国]-超长基线阵列

简介

美国的甚长基线干涉阵（以下简称为VLBA）由10台口径25米的射电望远镜组成，跨度从美国东部的维尔京岛到西部的夏威夷，最长基线达8600千米，最短基线为200千米。它是属于一个国家的最大的VLBI（甚长基线干涉）专用观测设备。每台射电望远镜都是专为干涉阵新设计的。1986年开始建造，1993年5月竣工，总费用为8500万美元，每年的运转费用约700万美元。1993年5月29日进行干涉观测实验，获得成功，各项指标都达到设计要求。各台射电望远镜的观测记录都送到位于新墨西哥州索科罗的望远镜阵工作中心分析处理，图像质量很高。VLBA的10台射电望远镜都能在3.5毫米波长上工作，在这一波长上，分辨率达到了亚毫角秒级。这使VLBA成了解决某些天体物理学难题的关键观测设备。34

建设历程1967年出现的甚长基线干涉观测技术迅速完善、成熟，逐步形成由几个国家的多台射电望远镜共同组成甚长基线干涉网。而美国凭借它的强大的国力和辽阔的疆土，在1970年就开始考虑建造完全在美国领土上的专用甚长基线干涉阵。经过十年的研究，由加州理工学院、伊利诺斯大学和国立射电天文台在1980年9月提出方案，10月在格林班克国立射电天文台敲定甚长基线干涉阵计划。甚长基线干涉阵1986年开始建造，1993年5月最后完成。最初的观测实验在1987年10月，10台射电望远镜的第一次联合观测在1993年5月29日并获得成功。10个望远镜的设计和性能完全一样，但是放置地方的自然环境却很不相同，有的与著名的Kitt Peak天文台为邻，有的在荒芜的高山上，有的在海边。5

结构特点VLBA的10台射电望远镜的结构完全相同。每个天线重240吨，抛物面天线直径为25米。天线最上面是副反射面，用支架固定在抛物面反射面的上方。从抛物面中心到副反射面的高度为9.144米，副反射面的作用是将由抛物面天线会聚到焦点处的射电波再一次反射到抛物面中心处的馈源上。诸多的馈源不可能都安装在中心，因此副反射面偏离中心，使它能围绕其轴旋转，使射电波可聚焦到任何一个馈源的开口处。抛物面反射面的下方是放置馈源和接收机的小屋，由于VLBA的频率覆盖很宽，从330MHz到86GHz，相当于90厘米到3毫米的范围，分为十个波段，因此有很多馈源和前置接收机，波长比较短的馈源是喇叭天线。前置放大器采用致冷装置，用氦冷却达到15K（－258℃），因此放大器固有噪声很低。天线的仰角由一个竖立的大齿轮来控制，整个望远镜放置在一个圆形轨道上，天线可以在轨道上运动以调整其方位角。

10台射电望远镜天线的运转由设在新墨西哥州的索科罗的工作中心控制，10台射电望远镜同时对准同一个射电源，在相同的频率上进行观测，天体射电波经过抛物面反射聚焦，再经副反射面送至馈源，经前置放大器后，通过馈线传到观测室。数据以每秒256兆的速度被记录在磁带上。磁带约4.8千米长，可以记录3兆兆个数据。每台射电望远镜的观测记录都要利用氢钟和GPS时间信号，把准确的时间记录在磁带上。5

观测成果甚长基线干涉观测的分辨率是其它任何望远镜所无法比拟的，在天文学的研究方面，观测课题集中在射电喷流、黑洞、射电源演化、银河系和河外星系微波脉泽源、引力透镜、超新星遗迹、近处和远处的星暴星系、暗弱射电源特性以及在活动星系核中的中性氢吸收。最有显示度的观测成果是对超大质量黑洞候选体的观测研究，这是因为黑洞的尺度非常小。目前VLBA观测最成功的有3例，分别为银河系中心、椭圆星系M87和塞弗特星系NGC4258中的超大质量黑洞候选体。

银河系中心的射电源SgrA*是30年前发现的，它由两个射电源组成，现在确认黑洞候选体在西边的那个射电源。近红外高分辨率观测发现，在SgrA*周围1角秒处有一颗年轻的恒星围绕SgrA*作轨道运动，测得其轨道周期为15.56年。由此估计出SgrA*的质量为4百万个太阳的质量，成为超大质量黑洞的候选体，其史瓦西半径相当于0.08AU，即日地距离的8%，这个黑洞对我们的张角非常小，仅为10微角秒。我国学者利用VLBA在五个波长（0.7，1.35，2.0，3.6和6.0厘米）观测SgrA*的图像，其尺度随波长的变化与一个点源因星际介质散射引起放大图像很相似。由于散射效应随观测波长平方减小得很快，所以在更短波长观测将可能获得其真实结构和大小。在3.5毫米波段对SgrA*的观测已经得到200微角秒角大小，逐步接近这个黑洞真实大小。

椭圆星系M87离我们很远，有14.7Mpc（1pc=3.26光年），天文学家估计在M87的中心有一个质量为3×109太阳质量的黑洞，其史瓦西半径为0.001光年，对我们的张角为4微角秒。

VLBA对塞弗特星系NGC4258的观测发现一个围绕中心的具有40百万太阳质量的黑洞旋转的吸积盘，由水脉泽的观测给出盘上各处的速度。NGC4258中的超大质量黑洞，其质量比银河系中心的黑洞大10倍，但是距离则远了1000倍（D～7.2Mpc），因此这个黑洞的史瓦西角半径仅为0.1mas。在诸多超大质量黑洞的候选体中，要算银河系中心黑洞（SgrA*）的角径最大，离我们最近，流量密度最高（达到1Jy），是最有可能取得突破的观测研究对象。5