射电天文方法与VLBI-实测天体物理学-中国科技大学

中国科学院上海天文台年刊ＣＡＮｏ．１６，１９９５１９９５年第１６期ＡＮＮＡＬＳＯＦＳＨＡＮＧＨＡＩＯＢＳＥＲＶＡＴＯＲＹＡＣＡＤＥＭＩＡＳＩＮＩ用ＶＬＢＩ和ＳＬＲ实测数据解算现时板块运动参数的方法孙付平赵铭主题词：甚长基线干涉测量（ＶＬＢＩ）—人卫激光测距（ＳＬＲ）—板块运动提要本文着重讨论了用空间大地测量（ＶＬＢＩ和ＳＬＲ）实测数据解算现时板块运动参数的方法，推导了有关公式。

根据作者的实践，阐述了应用中应注意的问题。

一、引言板块构造学认为，地球表面岩石圈是由大小不等的２０多个板块构成。

由于地幔对流及其它因素的作用，这些板块之间存在着１ １０ｃｍ燉ｙｒ的相对运动。

利用海底扩张速率、转换断层方位角、地震滑动矢量等地质和地球物理观测资料，人们已建立了能定量反映板块间相对运动的地学板块运动模型，例如ＲＭ２［１］和ＮＵＶＥＬ １［２］。

根据板块运动模型可以估计出地球表面任意两点之间的相对运动。

但是，海底扩张速率是由海岭两侧年龄相同的磁异常条带的间距除以该磁异常条带的年龄而得到的，它反映的是最近几百万年里板块扩张的平均效果，而转换断层的演化则有更长的地质历史。

所以，地学板块运动模型估计的是最近几百万年内板块的平均运动。

甚长基线干涉测量（ＶＬＢＩ）、人卫激光测距（ＳＬＲ）等空间大地测量技术，目前已能以几个ｍｍ燉ｙｒ的精度测定板块间的运动。

这种实测的板块运动是由最近１０多年的观测资料解算的，与漫长的百万年时间尺度相比，完全可以认为是现时的板块运动。

现时的板块运动与地质历史上平均的板块运动相比较，将为我们研究板块运动的稳定性、板块的刚性等重大问题提供证据。

并且，要为地震等灾害预测工作服务，要维持一个高精度地球参考架，建立一个精确的现时板块运动模型也是很必要的。

地球物理研究表明，地面点的长期运动主要有三种：（１）大尺度板块运动：主要沿水平方向，量级是１－１０ｃｍ燉ｙｒ，是全球性的。

（２）局部构造形变：主要沿水平方向，量级是１－２０ｍｍ燉ｙｒ，是局部性的。

天文学中的射电天文学射电天文学是天文学的一个分支，它利用射电望远镜观测和研究宇宙中的各种天体和现象。

在射电频率范围内，宇宙中的物体发出的电磁波辐射最强，其中包括宇宙微波背景辐射、星际气体、恒星、星系、黑洞等。

通过观测这些辐射，射电天文学研究天体物理学、宇宙演化、宇宙学等方面的问题，为人们深入了解宇宙提供了强有力的手段。

一、射电天文学的历史射电天文学起源于20世纪20年代，当时英国天文学家詹姆士·克拉克·麦克斯韦·麦迪逊·罗伯特·爱德华·艾普尔顿和卡尔·史文西等人建造了一些射电望远镜，开始对宇宙射电辐射进行观测。

1940年代，美国的赫比·詹姆斯、荷兰的亨德里克·范·德·霍尔斯特、加拿大的约翰·布克等人，也开始利用射电望远镜探索宇宙。

1968年，英国倡议成立了国际射电天文学联合会，推动了该领域的交流和发展。

至今，射电天文学已成为天文学中重要的分支之一。

二、射电天文学的应用1. 研究恒星的形成和演化射电天文学可以探测到恒星周围的尘埃和气体云，利用射电波长的辐射来测量它们的物理性质，从而深入了解恒星形成的机制和演化的规律。

射电天文学可以追踪恒星形成区的活动，观测到年轻恒星发射的强射电辐射，以及脉冲星等天体的辐射现象。

2. 发现伽马射线暴和脉冲星等高能天体伽马射线暴是宇宙中最强的电磁辐射现象之一，它的能量高达10^25个电子伏特，可以通过射电波长辐射来发现。

这些射电波段的辐射可以帮助天文学家追踪暴发事件的发生过程，探究其未知的物理机制。

脉冲星是宇宙中发现的最准时天体，利用射电望远镜可以观测到它们的射电辐射，研究其旋转速率、磁场等性质。

3. 了解宇宙的结构和演化射电望远镜可以观测到宇宙微波背景辐射，这是宇宙大爆炸留下的物质遗迹，通过分析它的辐射特征，可以了解宇宙早期的物理过程和演化。

此外，射电天文学还研究星系、星系团等宇宙结构，探究宇宙大尺度结构、暗物质、暗能量等问题。

２００５年１０月世界科技研究与发展专题：空间科学与技术空间工／口Ｉ甚长基线射电干涉测量沈志强（中国科学院上海天文台，上海２０００３０）摘要：本文从干涉原理在天文学中的应用出发，简短回顾了从地面到空间的射电干涉测量历史，概述了世界上第一代空间ＶＬＢＩ计划（砌）及其研究成果，展望了未来空间ＶＬＢＩ发展趋势。

关键词：甚长基线干涉测量（Ⅵ出Ｉ）空间ＶＬＢＩＶＳＯＰＳｐａｃｅｖＬＢＩＳｃｉｅｎｃｅＳ瑚巳ＮＺｈｉｑｉａｎｇ（Ｓｈａｎｇｌｌａｉ缸ｔｒｏｎ哪ｉｃａｌｏｂｓｅｒ、，ａｔｏｒｙ，Ｃｈｉｎ鹊ｅＡｃａｄ锄ｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈ锄ｇｌｌａｉ２０００３０）Ａｂｓｔｒａｃｔ：砑Ｐ乡嘲ｗｓｓ锄啦卯Ｖ．ＬＢＪｓｃｉＰ咒∞如舢妇蒯似琥舭咖ｐ施ｓ如０７２琥已丘巧￡１Ｓ＿抛静ＶＬＢＪｍ勰ｉｏ竹，Ｖｓ０Ｐ（ＶＬＢＪｓ加∞０６卵ｒ抛￡ｏ秽声ｒ曙ｍｍｍ已）．Ａ６ｒｉ旷矗ｉｓ抛删矿蒯ｉｏｉ咒￡矿厅彻ｍＰ￡叫如ｔ以印ｍ跏￡妇ｉ７２￡ｒ耐“ｃ趔．１诡８ｐｒｏｓｐ删盯∞ｍｅ扎髓￡ｇ饥Ｐｍ￡ｉｏ咒ｊ抛淝Ｖ：Ｉ据Ｊｍ勰幻咒ｓ厶ｄ缸甜ｓｓ耐．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：优删幻竹ｇ施阳ｚｉ扎ｅ锄钯ｒ斥舢优ｅ￡删（ＶＬＢＪ），５加∞Ⅵ招Ｊ，Ｖ＿ＬＢＪ５抛∞拍船ｒ抛￡Ｄ叫乡哪ｍ撇（ＶＳＯＰ）前言英文中的“干涉测量（Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）”一词包涵了“干涉（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅ）”和“测量（ｍｅａｓｕｒｅ）”一ｉｎｔｅｒｆｅｒｅ＋ｍｅａＳｕｒｅ＝ｉｎｔｅｒｆｅｒ一伊ｍｅｔｒｙ（中间的“一∞”可以理解为“好的”）一两重意思，而这也正是干涉测量的确切定义，即利用电磁波的干涉原理精确测定极其细微的角大小及其变化。

干涉测量的最早应用可以追溯到１９世纪８０年代，当时麦克尔逊（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）为了测量光自身在空间的传播速度而设计了著名的麦克尔逊一莫雷实验，该实验的关键是测出（可见）光在相互垂直的两个方向上来回传播了相同距离（１米）后的时间延迟，当时估算该延迟量只有约１０－１７秒，根本无法直接测量，但利用干涉原理（如光学物理中的杨氏双缝实验），１０一１７秒的延迟相当于可见光周期（约１０＿１５秒）的百分之几，因而可以很容易测得。

1142中国科学院粒子天体物理重点实验室中国科学院粒子天体物理重点实验室(以下简称实验室)依托单位为中国科学院高能物理研究所，其前身为1951年中国科学院近代物理研究所成立的宇宙线研究组，后演变为原子能研究所和高能物理研究所宇宙线室。

著名物理学家张文裕、王洽昌、肖健等曾任该室主任，著名物理学家钱三强、何泽慧始终关心并置身于该室的科学研究。

经中国科学院批准，宇宙线和高能天体物理开放实验室于1997年4月成立,2003年7月更名为粒子天体物理重点实验室。

实验室在2014年和2019年的中国科学院重点实验室评估中连续两次被评为A类。

目前，张双南研究员任实验室主任，蔡荣根院士任实验室学术委员会主任。

一、目标、定位与发展策略实验室面向国际科技前沿和国家战略需求，以揭示深层次的物质结构和大尺度的物理规律为目标,重点建设粒子天体物理学交叉学科，聚焦高能天体物理、宇宙线天体物理、中微子天体物理、暗物质、粒子宇宙学等研究方向，开展全方位(地下、高山和空间)、多波段(微波、光学、X射线和丫射线)、多信使(电磁波、中微子、宇宙线)的观测和探测研究，同时根据学科需要布局实验项目，发展核心技术，致力于建设特色鲜明、国际先进和领先的粒子天体物理领域高水平的基础理论和实验研究、新探测技术研发中心及高层次人才培养基地,取得重大和突破性科学成果,引领国际粒子天体物理领域的发展。

实验室的总体定位是：瞄准重大问题开展基础研究，针对学科前沿提出重大项目，建设实验平台提升仪器性能，发展核心技术支撑长远发展。

发展策略是:“四代同室”一成果一代、研制一代、预研—代、概念一代。

二、重要任务和成果实验室凭借在实验设计、探测器研制、观测数据处理、物理解释等方面的综合优势，提岀并承担或参与了多项粒子天体物理领域的大型实验项目。

空间X/丫射线天文观测与空间粒子探测:成功研制运行中国第一颗空间X射线天文卫星“慧眼”硬X射线调制望远镜(Insight-HXMT)卫星、天宫2号唯一的天文载荷Y暴偏振仪(POLAR),POLAR-2成功入选中国空间站首批科学实验;提出且即将发射引力波电磁对应体全天监测器(GECAM)；提出并正在预研国际合作天文台级X射线卫星项目“增强型X射线时变与偏振探测卫星(eXTP)”、中国空间站规划中的大型科学载荷之一高能宇宙辐射探测设施(HERD)；成功研制暗物质粒子探测卫星(DAMPE)主要载荷之一的硅阵列探测器(STK)、电磁监测试验卫星主要载荷之一的高能粒子探测器；提出并正在研制中法合作天文卫星空间变源监视器(SVOM)4个科学仪器之一的丫射线监视器(GRM)与爱因斯坦探针(EP)二个科学仪器之一的后随观测X射线望远镜(FXT)；实质参与国际空间站大型国际合作项目阿尔法磁谱仪(AMS-02)。

射电天文学的发现及其应用射电天文学是一门研究天体射电信号的学科，它于20世纪之后逐渐兴起。

利用射电望远镜来观测射电波信号，有助于我们了解宇宙中的天体、宇宙结构和宇宙演化。

本文将介绍射电天文学的发现及其应用。

一、射电天文学的发现历史1940年代，人们开始意识到，天体会发射射电波。

但当时的射电望远镜并不完善，只能捕捉到较大的天体，如太阳、银河系中心区域、和星际磁场。

1950年代，发射力度更强的射电望远镜得以发明和应用，科学家们随之能够观测到更小、更遥远、更微弱的目标。

如今，射电天文学已成为宇宙学发展中的重要分支领域，对研究宇宙学、星际介质、宇宙大爆炸、星际尘埃、射电星系和宇宙放射线等方面都有所贡献。

二、射电天文学的应用1. 研究宇宙演化射电天文学对于研究宇宙演化有着重要的作用。

通过观测宇宙微波背景辐射，可以了解宇宙在大爆炸后的温度、密度等参数，从而推测宇宙的形成、演化和结构。

此外，射电天文学还可以研究暗物质分布、宇宙膨胀、暗物质和能量。

2. 研究星际介质射电天文学还可以用于研究星际介质。

星际介质是指银河系中，星际空间中包含的气体、星云和尘埃等组成物质的总称。

射电望远镜可以探测到这些星际物质所发出的射电波，通过分析它们的频率、强度和极化，可以探究星际介质的物理性质和化学成分，并了解星际空间的结构、演化和物质分布。

3. 研究宇宙射线射电望远镜还可以探测到宇宙射线信号，例如高能宇宙射线和伽马射线等。

它们是宇宙星系、宇宙中心黑洞和伽马射线暴等天体所产生的高能粒子，具有极高的能量和强度，可以研究宇宙中的各种天体以及宇宙能谱等。

4. 探测宇宙暗物质射电天文学还可以应用于探测宇宙暗物质。

随着暗物质在宇宙中所占比例越来越明显，科学家逐渐开发出了多种对其进行观测的方法。

其中之一就是利用射电望远镜，通过探测暗物质的密度分布和分析其跨越观察线的效应，来研究它的性质和分布等。

三、结语随着技术的进步和射电天文学研究的不断深入，我们对于宇宙的见解越来越深刻，对于解析宇宙的工具也越发完善，对于人类来说，这是一个宏伟而不断变化的宇宙边界，我们期待着未来的发现，让我们更加了解和掌握宇宙的奥秘。

VLBI技术的原理和应用1. 什么是VLBI技术VLBI（Very Long Baseline Interferometry）技术是一种高精度的射电观测技术，用于远距离的射电测量和研究。

VLBI技术利用多个分布在不同地理位置上的射电望远镜，通过同时观测天体射电信号并进行数据记录和相位叠加处理，从而实现高分辨率和高灵敏度的观测效果。

2. VLBI技术的原理VLBI技术的原理基于干涉测量的概念。

首先，多个射电望远镜在同一时刻观测同一个天体，并将信号转换为数字信号。

然后，这些数字信号通过高速网络传输到一个中心处理站，进行相位叠加处理。

在相位叠加处理中，通过对不同射电望远镜接收到的信号的相位进行比较，可以计算出来自天体的射电波前的抵达时间差。

同时，还可以计算出来自天体的射电波的相位差，从而得到高精度的角度和距离测量结果。

3. VLBI技术的应用3.1 天体射电天文学研究VLBI技术在天体射电天文学研究中具有重要作用。

它可以提供高分辨率的天体图像，帮助天文学家研究天体的形态、结构和演化过程。

由于VLBI技术可以提供更高的角分辨率，因此在探测和研究宇宙背景辐射、行星、恒星、星系和星系团方面有很大的优势。

3.2 地球科学研究VLBI技术还被广泛应用于地球科学研究领域。

通过利用VLBI技术测量地球上各个位置之间的精确距离和运动，可以了解地壳运动、地球自转、地板变形以及地球引力场变化等方面的信息。

这对于地震研究、地质构造分析和卫星定位系统的精确度提高具有重要意义。

3.3 导航和定位系统VLBI技术还可以用于导航和定位系统。

通过多个位于不同地理位置的VLBI观测站，可以实现对飞行器、卫星和船只等对象的高精度测量和定位。

这对于现代航空、航天和海洋领域的导航和定位具有重要意义，可以提高导航系统的安全性和精确度。

3.4 其他应用领域除了上述应用领域外，VLBI技术还被用于大气物理学研究、地球重力场测量、天文导航和超长基线干涉等领域。

天体物理学中的射电天文观测技术射电天文学是研究宇宙中电磁辐射的一门学科，它利用射电望远镜观测和研究宇宙中的天体及宇宙物理过程。

在天体物理学中，射电天文观测技术发挥着重要作用。

本文将介绍天体物理学中的射电天文观测技术及其应用。

射电天文学通过观测和分析天体发射的射电辐射来研究宇宙的演化、天体的结构和物理特性，从而揭示宇宙的奥秘。

射电天文观测技术包括射电望远镜的建造、天线的设计和制造、接收机的构建以及信号处理和数据分析等多个方面。

其中，射电望远镜是实现射电天文观测的关键设备。

射电望远镜的种类多样，包括单口径射电望远镜、干涉阵列射电望远镜以及空间射电望远镜。

单口径射电望远镜通常由一个大碗或折叠板组成，用于接收射电波并将其聚焦到接收机上。

干涉阵列射电望远镜由多个天线组成，可以通过互相之间的干涉来增加分辨率和灵敏度。

空间射电望远镜通过放置在地球外的卫星上来避免地球大气的干扰。

射电天文观测技术中，天线的设计和制造至关重要。

天线用于接收从天体发射的射电信号，并将其转换成电信号。

射电信号的强度非常微弱，因此天线需要具有高灵敏度和高增益。

此外，天线还需要具备宽频带、良好的指向性和稳定性。

目前，常见的天线类型包括网格天线、反射面天线和阵列天线等。

接收机是射电天文观测中的另一个重要组成部分。

它负责将从天线收集到的射电信号进行放大和处理。

接收机需要具备高灵敏度、宽动态范围、低噪声系数和稳定的频率特性。

为了获得更高的灵敏度，射电接收机通常采用低温工作，如使用液氦冷却等技术。

信号处理和数据分析是射电天文观测的关键环节。

由于射电信号受到天体本身的特性以及宇宙中的干扰因素的影响，因此需要进行一系列的信号处理和数据分析来提取有效信息。

这包括信号滤波、校正、干扰消除以及恢复原始数据等步骤。

射电天文观测技术在天体物理学研究中发挥着重要的作用。

它可以用来探测和研究射电宇宙背景辐射、银河系内恒星形成、星系结构和演化、类星体、脉冲星等天体的性质。

射电天文学科进展报告引言射电天文学为现代天文学做出了巨大贡献。

上世纪六十年代天文学的四大发现，类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射，都是用射电手段观测到的。

迄今有10项诺贝尔物理学奖授予天文学研究领域，射电天文学成就了其中6项，充分显示了这门新兴学科的强大生命力。

以英国Jordrell Bank-76米、澳大利亚Parkes-64米、美国Aricebo-305米、德国MPIfR-100米和美国GBT-100米为代表的一批大型射电望远镜在国际上相继建成，射电干涉技术极大的提高了射电天文观测的分辨率和灵敏度，以美国甚大阵（VLA）、印度GMRT，英国MERLIN，美国的VLBA等综合孔径望远镜和欧洲的VLBI网（EVN）为代表的一批阵列构成并提供了不同的观测基线层次，以日本VSOP为代表射电干涉技术开始向空间发展。

大型低频射电望远镜阵列LOFAR，21CMA，MW A等将为探测再电离时代高红移宇宙做出贡献。

接收机方面，多波束技术和数字技术快速发展，使射电天文的观测效率和水平上了一个新的台阶。

具有平方公里接收面积的SKA作为下一代米波和厘米波干涉阵，其核心科学目标雄心勃勃，前景令人鼓舞。

美国NRAO-12米，欧洲IRAM-30米和日本NRO-45米等毫米波望远镜的大量科学产出，德国APEX-12米和日本ASTE-10米的建成以及ALMA的建设，标志着毫米波亚毫米波观测技术的快速发展，拓宽了射电观测窗口。

射电天文技术的进步极大的推动了天文学的发展。

【注：国内外太阳的射电研究进展见太阳学科进展报告。

】我国的射电天文学发展迅速，研究力量主要集中在国家天文台总部、紫金山天文台、上海天文台和乌鲁木齐天文站等观测基地，以及北京大学、南京大学和北京师范大学等高校。

研究方向主要布局于星系及活动星系核、分子谱线、脉冲星、射电天文技术等领域，还开展诸如探月工程VLBI测轨等深空探测研究。

目前已建成了密云综合孔径望远镜、青海德令哈13.7米毫米波望远镜、上海佘山25米、乌鲁木齐南山25米、密云50米和昆明40米射电望远镜。

第二章测量：天体信息的获取2.1 天体信息的获得1. 电磁辐射电磁辐射也就是电磁波。

目前绝大部分的天体信息通过这一渠道获得。

电磁辐射的频谱范围很广，从波长最短的 g射线，到可见光，再到波长很长的微波、射电波等都属于电磁辐射。

宇宙空间中的大量电磁辐射给我们提供了最多、最详尽的有关天体的各种信息。

望远镜简介望远镜最重要的性能指标一是通光口径，二是分辨率。

口径越大，收集到的光越多，看得就越远。

分辨率越高，看得也就越清楚。

折射望远镜折射望远镜使用透镜作为物镜。

由天体来的平行光经透镜折射后在焦平面上成像。

由凹透镜作目镜的称 Galileo 望远镜；由凸透镜作目镜的称 Kepler望远镜。

因单透镜物镜色差和球差都相当严重，现代的折射望远镜常用两块或两块以上的透镜组作物镜。

由于加工技术限制和吸收严重，折射望远镜口径不能太大。

反射望远镜反射望远镜使用反射镜作为物镜。

可分为Newton 望远镜、Cassegrain望远镜、Gregory 望远镜、R-C望远镜和折轴望远镜几种类型。

反射望远镜的主要优点是不存在色差。

反射望远镜的相对口径可以做得较大。

现代大型望远镜都采用这种类型。

折反射望远镜折反射望远镜由折射元件和反射元件组合而成。

主镜为球面镜，用于成像。

透镜用于改正像差。

折反射望远镜的特点是相对口径很大，光力强，视场广阔，像质优良。

2. 中微子天体不仅辐射电磁波，还发射大量的中微子。

中微子是1932年 Pauli 在研究 b 衰变时提出的一种不带电的粒子，Fermi 建议命名为Neutrino, 意思是微小的中子。

目前已经知道，中微子有 n e n m n t以及相应的反粒子。

可能有很小的质量。

中微子的特点是与一般物质的相互作用极弱，几乎可以毫无阻碍地穿越任何物质，很难捕捉。

对中微子而言，任何物质几乎都是透明的。

在恒星内部产生的中微子可以立刻逃逸出去，因此携带了丰富的关于恒星内部的信息。

每时每刻都有大量的中微子穿过我们的身体。

VLBI测量原理与应用作者：魏海庆来源：《科技资讯》 2011年第10期魏海庆(重庆珠峰业建设工程有限公司重庆 400039)摘要:随着测量技术的不断发展,VLBI技术得到了较为广泛的应用,本文结合其原理,分析探讨了该种测量方法的应用,以及在我国的应用进行了阐述。

关键词:测量 VLBI 原理应用中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)04(a)-0023-02VLBI即甚长基线干涉的测量,就是把几个小望远镜联合起来,达到一架大望远镜的观测效果。

这是因为,虽然射电望远镜能“看到”光学望远镜无法看到的电磁辐射,从而进行远距离和异常天体的观测,但如果要达到足够清晰的分辨率,就得把望远镜的天线做成几百公里甚至地球那么大。

VLBI测量的主要采用原子钟控制的高稳定度的独立本振系统和磁带记录装置;由两个或两个以上的天线分别在同一时刻接收同一射电源的信号,各自记录在磁带上;然后把磁带一起送到处理机中,进行相关运算,求出观测值。

这种干涉测量方法的优点是基线长度原则上不受限制,可长达几千公里,因而极大地提高了分辨率。

其原理图如图1。

甚长基线干涉的测量值包括:干涉条纹的相关幅度;射电源同一时刻辐射的电磁波到达基线两端的时间延迟差(简称时延),延迟差变化率(简称时延率)。

相关幅度提供有关射电源亮度分布的信息,时延和时延率提供有关基线(长度和方向)和射电源位置(赤经和赤纬)的信息。

所得的射电源的亮度分布,分辨率达到万分之几角秒,测量洲际间基线三维向量的精度达到几厘米,测量射电源的位置的精度达到千分之几角秒。

在分辨率和测量精度上,与其他常规测量手段相比,成数量级的提高。

目前,用于甚长基线干涉仪的天线,是各地原有的大、中型天线,平均口径在30米左右,使用的波长大部分在厘米波段。

最长基线的长度可以跨越大洲。

1 VLBI测量的基本原理射电源辐射出的电磁波,通过地球大气到达地面,由基线两端的天线接收。