毫米波和亚毫米波天文学
【中文词条】毫米波和亚毫米波天文学
【外文词条】millimeter and submillimeter astronomy
【作者】徐培源
射电天文学中按电磁波波段区分﹐使用毫米波段(波长 1～10毫米)和亚毫米波段(波长约为0.35～1毫米)进行天文观测研究的一个分支。二十世纪五十年代研制成一系列小型毫米波射电望远镜﹐主要用于测量大气对毫米波传播的效应和观测太阳﹑月球和行星的准热辐射。到六十年代后期﹐从毫米波向短波方向和从红外波段向长波方向的技术发展使天文观测进入了亚毫米波段。
发展概况 毫米波天文学对星际物质﹑恒星的形成和演化等重要课题作出贡献是七十年代的事﹐这主要是由分子天文学的发展促成的。继六十年代发现星际羟基(OH)﹑水汽(HO)﹑氨(NH)和甲醛(HCO)分子后﹐到七十年代末已陆续发现了50多种星际分子。分子波谱学表明﹐较轻分子(分子量<40)低J 值(J 是与能级有关的转动量子数)的纯转动跃迁和较重分子高 J 值的跃迁主要落在毫米波和亚毫米波段。在星际空间激发条件下﹐许多在天体物理上有重要性的分子﹐其纯转动跃迁的一系列谱线的强度峰值也落在毫米波和亚毫米波段上
地球大气对毫米波和亚毫米波观测的效应 毫米波和亚毫米波天文观测是在氧和水汽等分子吸收带之间的一系列地球大气窗口进行的
毫米波和亚毫米波天文台比一般射电天文台有更严格的要求﹐主要要求台址上空大气中水汽含量小而稳定﹐一般认为大气中水汽含量经常在1～3毫米是毫米波天文台的必要条件。亚毫米波天文台则要求大气水汽含量经常小于1毫米﹐因为大气中水汽密度随高度按指数律递减﹐所以毫米波天文台应设在海拔2﹐000米以上﹐而亚毫米波天文台则应设在海拔4﹐000米以上﹐著名的美国国立射电天文台的孔径为11米的毫米波望远镜就设在海拔 2﹐025米的基特峰。
在毫米波和亚毫米波段普遍采用射束转换观测方法﹐就是使天线的射束交替地指向所观测的射电源和它的邻近的天空背景。当对流层处在天线的近场之中﹐彼此转换的两个射束在对流层中几乎重合﹐因此对流层不均匀性引起的噪声起伏在射束转换接收系统中被作为背景而几乎抵消掉了
毫米波和亚毫米波望远镜天线 毫米波望远镜天线绝大多数是单个抛物反射面类型。反射面偏离最佳吻合抛物面的公差(均方根值 )和天线口径效率 的关系是
﹐
其中 为无公差反射面天线口径效率。
单天线毫米波望远镜的分辨率在十几角秒左右。为了提高分辨率﹐正在积极研制毫米波干涉仪。主要问题在于研制低损耗高稳定度的传输系统﹐以及减小大气不均匀性对干涉效应的影响﹐日本研制成8毫米波段太阳多天线射电干涉仪。美国正在研制由两个6米天线组成的T形毫米波综合孔径射电望远镜﹐11～15毫米波段的系统已投入观测。法国研制成 8毫米波段双天线射电干涉仪。这些干涉仪的分辨率比单天线要提高一个到两个量级。
毫米波和亚毫米波辐射计 在毫米波和亚毫米波段相干型和非相干型辐射计被同时采用。相干辐射计用超外差接收系统测量入射电磁波的幅度﹐同时能获得其相位信息﹐这种辐射计适用于连续谱和谱线射电的单天线和干涉观测。非相干辐射计用测辐射热计等器件测量入射电磁波的功率﹐其输出正比于电磁波幅度的平方﹐但不能获得其相位信息。这种辐射计目前主要用于短毫米波和亚毫米波段单天线连续谱射电观测。
参考书目
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.
..﹐ - ﹐﹐.101﹐607.1970.