毫米波和亞毫米波天文學
正文
射電天文學中按電磁波波段區分,使用毫米波段(波長 1～10毫米)和亞毫米波段（波長約為0.35～1毫米）進行天文觀測研究的一個分支。二十世紀五十年代研製成一系列小型毫米波射電望遠鏡，主要用於測量大氣對毫米波傳播的效應和觀測太陽、月球和行星的準熱輻射。到六十年代後期，從毫米波向短波方向和從紅外波段向長波方向的技術發展使天文觀測進入了亞毫米波段。發展概況 毫米波天文學對星際物質、恆星的形成和演化等重要課題作出貢獻是七十年代的事，這主要是由分子天文學的發展促成的。繼六十年代發現星際羥基(OH)、水汽(H2O)、氨(NH3)和甲醛(H2CO)分子後，到七十年代末已陸續發現了50多種星際分子。分子波譜學表明,較輕分子（分子量<40）低J值（J是與能級有關的轉動量子數）的純轉動躍遷和較重分子高 J值的躍遷主要落在毫米波和亞毫米波段。在星際空間激發條件下，許多在天體物理上有重要性的分子，其純轉動躍遷的一系列譜線的強度峰值也落在毫米波和亞毫米波段上。圖1繪有乙腈(CH3CN)等分子譜線的峰值波長。事實上，迄今已陸續發現50多種星際分子的300多條譜線,有70％落在毫米波段。1977年在獵戶座KL源核中觀測到一氧化碳(CO)分子的 J為3→2（即從J=3躍遷到J=2）波長為0.87毫米的譜線，這標誌分子天文學開始進入亞毫米波領域。絕大部分星際分子是美國國立射電天文台的口徑11米的毫米波射電望遠鏡發現的，至於亞毫米波觀測至今還是借用光學望遠鏡進行。1968年觀測到了早已預言過的氫原子36.5京赫（波長8.2毫米）的H56α譜線，這標誌著原子複合譜線的觀測研究已推進到毫米波領域，為研究溫度較低、密度較高的電離氫區的物理狀態和運動特性提供了一個有效的手段。當然，毫米波和亞毫米波連續射電的觀測研究也有重要意義。毫米波和亞毫米波段背景輻射頻譜和空間分布特性的精密測量，是當代宇宙學的重大實測課題之一。冷而密的星際氣體和塵埃的準熱輻射譜的峰值及其輻射能量，往往集中在毫米波和亞毫米波段，在這些波段上的觀測將為研究恆星的起源與演化提供十分重要的信息。類星射電源、射電星系特別是特殊星系的星系核活動過程，首先在頻譜的短波段反映出來。對其強度和偏振隨時間變化的觀測研究，將有助於人們加深理解其巨大能量的產生機制。毫米波和亞毫米波天文學作為射電天文學的一個分支，並不在於它的研究對象和課題與其他分支有什麼不同，主要在於所用儀器和觀測方法自具特點。天文學家對毫米波、亞毫米波和遠紅外波段並沒有規定過嚴格的界限，不過這些波段在觀測方法和儀器技術上既有區別，又有聯繫。 地球大氣對毫米波和亞毫米波觀測的效應 毫米波和亞毫米波天文觀測是在氧和水汽等分子吸收帶之間的一系列地球大氣視窗進行的(圖2)。這些視窗的波長約為8、3.4、2.3、1.4、0.86、0.74、0.65、0.45、0.36毫米。視窗的透明度或吸收隨地球對流層水汽含量而異，一般具有線性關係。大氣不僅吸收電波,本身還產生噪聲輻射,而且波長越短,大氣吸收和噪聲輻射越大,使射電望遠鏡觀測的信噪比明顯下降。然而更嚴重的是，大氣參數（主要是水汽含量）的空間的和時間的起伏，引起大氣折射、吸收和輻射的起伏，從而使射電望遠鏡的觀測受到限制。對流層中水汽具有尺度為幾十米到上千米的空間分布不均勻性，使經過大氣到達大型射電望遠鏡（單天線或干涉儀）天線上的電波有不同的光程差。顯然，水汽還隨時間變化起伏，從而降低天線視增益，歪曲天線指向，惡化干涉圖形，並限制射電望遠鏡的解析度。至今對大氣水汽含量起伏的實測和理論研究還十分不夠，普遍認為大氣水汽含量越小，其起伏也越小。鑒於大氣效應的嚴重性，在選擇射電天文台台址和觀測方法上都應考慮減少大氣效應的影響。 毫米波和亞毫米波天文台比一般射電天文台有更嚴格的要求，主要要求台址上空大氣中水汽含量小而穩定，一般認為大氣中水汽含量經常在1～3毫米是毫米波天文台的必要條件。亞毫米波天文台則要求大氣水汽含量經常小於1毫米。因為大氣中水汽密度隨高度按指數律遞減，所以毫米波天文台應設在海拔2,000米以上,而亞毫米波天文台則應設在海拔4,000米以上。著名的美國國立射電天文台的孔徑為11米的毫米波望遠鏡就設在海拔 2,025米的基特峰。
在毫米波和亞毫米波段普遍採用射束轉換觀測方法，就是使天線的射束交替地指向所觀測的射電源和它的鄰近的天空背景。當對流層處在天線的近場之中，彼此轉換的兩個射束在對流層中幾乎重合，因此對流層不均勻性引起的噪聲起伏在射束轉換接收系統中被作為背景而幾乎抵消掉了。由圖3可見，射束轉換方法對消除大氣噪聲起伏有十分明顯的效果。 毫米波和亞毫米波望遠鏡天線 毫米波望遠鏡天線絕大多數是單個拋物反射面類型。反射面偏離最佳吻合拋物面的公差(均方根值σ)和天線口徑效率η 的關係是
, 其中η0為無公差反射面天線口徑效率。圖2繪有給定σ時η 隨波長的變化。天線的最短工作波長可以取為λmin≈20σ。目前全世界天線口徑D為10～22米的毫米波望遠鏡約10台，絕大多數最短工作波長在3～4毫米左右，相對精度σ/D ≈10-5。大口徑的天線必須採用“保形”原理來建造，才能保證重力變形後的反射面與最佳吻合拋物面的偏離不超過允許公差。在這種情況下，最佳吻合拋物面的參數隨天線俯仰角而變動，因此，需要有一套伺服系統，使饋源或卡塞格林副面作相應的變動。為了使反射面熱變形不超過允許公差，必須採用天線罩或天文圓頂，控制天線周圍環境溫度，或在反射面背架上覆蓋隔熱通風罩,以控制反射面溫差。相對精度高達10-6量級的反射面的檢測問題，至今仍是毫米波和亞毫米波天線研製中一個尚待解決的課題。天線的電性能和跟蹤指向精度隨天線指向而異，不能再用地面常規方法，而只有通過對一系列標準射電源的觀測才能測定。專用的地面亞毫米波望遠鏡尚未問世，至今仍是利用大型光學望遠鏡的“空閒時間”（如早晨、黃昏和月夜等）進行觀測。 單天線毫米波望遠鏡的解析度在十幾角秒左右。為了提高解析度，正在積極研製毫米波干涉儀。主要問題在於研製低損耗高穩定度的傳輸系統，以及減小大氣不均勻性對干涉效應的影響。日本研製成8毫米波段太陽多天線射電干涉儀。美國正在研製由兩個6米天線組成的T形毫米波綜合孔徑射電望遠鏡，11～15毫米波段的系統已投入觀測。法國研製成 8毫米波段雙天線射電干涉儀。這些干涉儀的解析度比單天線要提高一個到兩個量級。
毫米波和亞毫米波輻射計 在毫米波和亞毫米波段相干型和非相干型輻射計被同時採用。相干輻射計用超外差接收系統測量入射電磁波的幅度，同時能獲得其相位信息，這種輻射計適用於連續譜和譜線射電的單天線和干涉觀測。非相干輻射計用測輻射熱計等器件測量入射電磁波的功率，其輸出正比於電磁波幅度的平方，但不能獲得其相位信息。這種輻射計目前主要用於短毫米波和亞毫米波段單天線連續譜射電觀測。
參考書目
G.G.Fazio ed., Infrared and Submillimeter Astronomy, D.Reidel Publ.Co.,Dordrecht,Holland,1977.
A.A. Penzias and C.A. Burrus, Millimeter-Wave-length Radio Astronomy Technique, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, Vol. 11, p.51,AnnualReviews,Inc.,Palo Alto,Calif.,1973.
