§2.4 脉冲星观测常用的大型单天线射电望远镜简介

脉冲星观测要求高灵敏度，因此大口径天线射电望远镜成为首选．目前国际上的4台大型抛物面射电望远镜和一台固定地面的球面天线射电望远镜对脉冲星观测研究的贡献最大（见图2.14）．我国贵州500m口径望远镜（FAST）和上海65m口径望远镜（天马）已进入国际大型天线射电望远镜行列．

2.4.1 国际大型抛物面天线射电望远镜

（1）英国Lovell76m射电望远镜．

英国Jodrell Bank的76m射电望远镜是世界上第一台大型射电望远镜，1958年投入观测．它在英国剑桥大学发现脉冲星后，立即成为当时脉冲星观测的主力， 1971年的巡天发现了39颗脉冲星．1984年率先在球状星团中找到毫秒脉冲星，破解了“毫秒脉冲星难以发现”的难题（Lyne, et al.,1987）．经过几次技术改造，特别是2003年更换了镀锌钢反射面，更新了定位控制系统，修复了轨道系统并换上了新的电脑系统，使这台运转了40多年的老望远镜又上了一个台阶，最短观测波长达到3cm，灵敏度比建成时提高了30倍，依然是当今国际上重要的射电望远镜之一．（http://www.jb.man.ac.uk/booklet/）

（2）澳大利亚Parkes 64m射电望远镜．

该望远镜1958年动工建造，1961年开始投入观测．50多年来，望远镜的外貌和基础结构没有变，但经多次技术改造，望远镜的观测波长已短到1.3cm.

早期它与悉尼大学在Molonglo的Mills十字射电望远镜的东西臂的观测配合，在408MHz上进行的巡天观测，成果辉煌，到1978年共发现187颗脉冲星． Mills十字的东西臂的方向图是扇形，主瓣半功率宽度为4.3°×1.4′，在赤纬方向很宽，巡天效率很高．再利用Parkes 64m射电望远镜做进一步观测，确定了众多的脉冲星参数．

最近20年Parkes射电望远镜成为国际脉冲星巡天的主力，其中与英国Jodrell Bank天文台合作的多波束巡天最为成功．13个波束的馈源系统不仅加快了巡天进度，也提高了观测灵敏度，发现脉冲星的数量成倍的增加（Manchester, et al., 2001）．在已发现的近3000颗脉冲星中，Parkes的发现占了2/3，其中双射电脉冲星和天体射电旋转暂现源（RRAT）的发现意义重大．

中国脉冲星学者对Parkes射电望远镜是很有感情的．从1998年开始，有好几位中国学者与Manchester教授合作，利用64m射电望远镜进行脉冲星的观测（Wu, et al.,1993; Qiao, et al.,1995; Han, et al.,1997）.

（3）德国Effelsberg100m射电望远镜．

德国的100m射电望远镜于1968年开始建造，1972年投入观测．这台射电望远镜的特点是：它是当时口径最大的射电望远镜；它在国际上首次采用主动反射面技术；它采用Gregory天线系统使得这台望远镜有两个馈源屋；它是第一台能在毫米波段进行观测的特大型射电望远镜．

一般射电望远镜只有一个馈源屋，这台射电望远镜的观测波段从90cm到3mm，需要分成22个波段，一个馈源屋根本放不下各个波段的馈源和前置放大器．

从1972年建成到2000年美国Green Bank的100m×110m建成这近30年的时间里，德国100m射电望远镜一直处于霸主地位．

这台射电望远镜的研究课题主要是谱线的观测，但在脉冲星观测上也有建树，率先进行毫米波段的观测（Kramer, et al.,1997）和高频（5GHz）巡天（Klein, et al., 2004）．近些年来，脉冲星观测研已成为重点之一，开始了脉冲星巡天观测研究．

（4）美国Green Bank 100m口径射电望远镜（GBT）.

1988年11月15日，美国口径最大的91.5m射电望远镜在使用过程中突然倒塌．当时他们决定建造一台世界上最大、最好、可跟踪的射电望远镜，全面超过德国100m射电望远镜．该望远镜于2000年8月22日隆重启用．

这一望远镜的天线采用独特的偏轴方式，被戏称为“歪脖子天线”．在天线表面正上方空无一物，增加了有效面积，还能消除一般射电望远镜支架所引起的反射和衍射．放置前置放大器和第二反射面的支架做得粗壮结实．

接收机的工作频率范围是100 MHz到115GHz，也就是波长从3 m到2.6mm．观测波长之所以能达到2.6mm是因为采用了高度自动化的主动反射面系统，激光测距系统能及时地测出天线表面的形变，然后发出指令通过马达把主反射面和第二反射面调整好．天线由2004块金属板拼成，在每一块金属板的四个角上安装上由计算机控制的小型马达驱动器（见图2.15），它能使金属板上下移动，以保持表面的形状与理想形状相近．

GBT是当今观测脉冲星能力最强的射电望远镜，有效接收面积比Parkes射电望远镜约大3倍．望远镜投入观测后，在脉冲星观测研究中成果显赫，如在球状星团Terzan5中发现了30颗新的脉冲星，其中的PSR J1748-2446ad，周期仅1.4ms，成为周期最短的脉冲星（Ransom, et al.,2005）.

2.4.2 美国Arecibo球面天线射电望远镜

为了提高空间分辨率和灵敏度，天线要尽量做大．从目前的技术条件来说， 110m口径的可跟踪天线已经接近极限，再大口径天线只能选择固定在地面的方式，球面天线成为首选．

美国在20世纪60年代建造的Arecibo雷达射电望远镜是为了研究地球电离层，兼做一些射电天文观测，后来变为以天文学研究为主了．脉冲星的观测成为它的亮点项目．

望远镜口径为305m，有效照明口径是213m，口面到球面天线顶点的距离约为50.9m，球面曲率半径为265m．最初的天线表面是金属网的，后来改建为全金属面，工作频率从50MHz到10GHz．在球面天线上方是馈源系统，重达900t，它由三组钢缆悬挂在约137m高处（图2.16）.

这台射电望远镜的最大特点是灵敏度高．最初它采用长约28m的线性馈源，使用起来很不方便，后来改用改正镜来聚焦．悬挂在平台下方的一个圆屋中有一个由口径分别为21.9m和7.9m的副反射面组合成的改正镜．靠近轴焦点并离主反射面较远的是第一副面，另外一个叫第二副面，为了避免遮挡，它们互相错开．馈源位于第二副面的焦点上．两个副面和馈源与主反射面组成一个格式天线系统（图2.17）.

这台射电望远镜对脉冲星观测研究有着重要的贡献，最激动人心的观测成果是1974年发现第一个射电脉冲双星系统PSR B1913+16（Hulse & Taylor. 1975），这一发现使得Hulse和Taylor一起获得1993年诺贝尔物理学奖．1982年，美国的Backer教授等应用这台望远镜发现毫秒脉冲星，开辟了一个新的研究领域（Backer, et al.,1982）.1992年，Wolszczan和Frail用这个望远镜发现了毫秒脉冲星PSR B1257+12的行星系统，它成为人类首次发现的太阳系外的行星系统（Wolszczan & Frail,1992）.

2.4.3 我国观测脉冲星的射电望远镜

目前，我国有4台射电望远镜可用于脉冲星观测．新疆天文台25m射电望远镜在1996年开始进行脉冲星的观测．云南天文台的40m射电望远镜于2006年建成，主要任务是中国探月工程项目，天文观测则以脉冲星为重点．上海天文台的65m射电望远镜于2012年建成，这是一台进入世界大射电望远镜行列的观测脉冲星设备．2016年9月，全球最大单口径射电望远镜FAST在贵州建成．

（1）新疆天文台25m射电望远镜．

1996年新疆天文台25m射电望远镜开始仅在327MHz和610MHz频率上进行脉冲星观测研究，能力有限，只对十余颗脉冲星进行观测研究．它于1999年建成18cm波段双偏振室温消色散系统，开始对74颗脉冲星进行长期系统性的观测．2002年它改为制冷式前置放大系统，灵敏度有很大的提高，为0.5mJy．随即对280颗脉冲星进行系统的观测．2010年它改用澳大利亚的PDFB终端系统，使检测的脉冲星数目达到300颗，主要是增加了毫秒脉冲星样本的观测．应用该望远镜的课题主要集中在脉冲到达时间的监测方面，在脉冲星周期跃变的发现、自行的测量和星际闪烁等方面有不少成果．

新疆天文台正在筹建的奇台110m口径射电望远镜将会以脉冲星观测研究为重点课题．这台射电望远镜将采用先进的主动面技术以提高天线有效接收面积，配备8个波段的接收设备，将可能与美国Green Bank 110m×100m射电望远镜并列为世界最大的可动天线射电望远镜．

（2）云南天文台40m射电望远镜．

2006年建成40m射电望远镜（见图2.18），主要任务是中国探月工程，天文观测则以脉冲星为重点（Hao, et al.,2010）．它只配备了S波段和X波段接收系统．脉冲星的观测主要在S波段进行，采用澳大利亚的PDFB终端系统．由于S波段接收机射频频率范围为2150～2450MHz，观测带宽为300MHz，由于带内干扰实际观测带宽为180MHz.2008年它在13cm波段观测脉冲星实验成功，已能够观测近百颗脉冲星，观测到最小流量密度的脉冲星是PSRJ2219+4754，为1.049mJy．在X波段，脉冲星的流量密度很低，它仅观测到两颗脉冲星．就国内脉冲星观测来说，云南天文台40m的脉冲星观测具有两个特点：一是在13cm波段观测，与新疆天文台25m及上海天文台65m的重点波段不同；二是能够比其他两台射电望远镜观测更多的南天脉冲星，能够观测南纬超过40°的脉冲星24颗，超过45°的15颗．

（3）上海天文台65m射电望远镜．

2012年建成的65m射电望远镜（见图2.19）配备了8个波段的接收设备，工作波段多、工作频率高、接收频带宽．它采用先进的主动反射面技术，在高频段获得了更大的接收效率，灵敏度与国际上同等口径的射电望远镜相当，在高频段优于澳大利亚的Parkes射电望远镜（见表2.4）．在低频段受环境电磁干扰影响，其灵敏度降低．人们已利用它发表了一批脉冲星的观测研究成果（Yan, et al.,2013,2015;Zhao, et al.,2017）.

（4）中国贵州500m口径球面射电望远镜（FAST）.

这台射电望远镜属于国家科学大工程中的项目，已于2016年9月建成．它目前是世界上接收面积最大的射电望远镜（Nan,2008）.

利用贵州独特的喀斯特地形条件和极端安静的电波环境，研究人员选择平塘县大窝凼的开口500m的碗形山谷，依托地形建设这台巨型射电望远镜．500m口径球面天线，在观测时实际使用口径为300m，比Arecibo射电望远镜的灵敏度要高2倍多．由于口径增大和设计的改进，观测的天区范围也比Arecibo射电望远镜扩大了1倍多．

Arecibo射电望远镜最大的缺点是馈源系统很复杂，导致吊在空中的放置馈源和接收机前端的平台重约900t.FAST采用主动反射面技术使观测时使用的部分天线表面即时变为抛物面，不需要改正用的副反射面，使馈源简单多了，平台小得多，也轻多了．

由于灵敏度的提高和观测天区的扩大，FAST对同类天体的可观测数目将增加约5倍．预计它能发现的脉冲星数目将超过迄今发现的脉冲星总数的一倍以上． FAST可以进行精度特别高的脉冲星到达时间测量，由目前的120ns提高至30ns，成为世界上最精确的脉冲星计时观测设备．它在试观测阶段已经发现6颗脉冲星．