射电望远镜如何探测来自深空的信号

射电望远镜看起来与光学望远镜不同，但其工作原理是一样的：收集光线、聚焦光线并分析光线。区别在于波长。根据美国国家射电天文学天文台（NRAO）的说法，射电望远镜观测的波长大约在1毫米至10米之间，远长于可见光的几百纳米，这就是为什么它们的"透镜"是金属盘而不是玻璃。

将微弱的低语转变为可用数据

NRAO将宇宙无线电信号描述为惊人地微弱，指出单个手机信号所携带的功率大约是这些望远镜为检测而设计的微弱宇宙无线电波的十亿倍的十亿倍。为了捕捉到任何有用的信息，射电望远镜需要一个大的收集面积和灵敏的电子设备。

• 一个抛物面盘，其弧形将入射无线电波反射到它上方的单一焦点
• 焦点处的馈源喇叭，一个根据所研究波长调整大小的金属漏斗，将波引入接收器
• 一个接收器，通常是超冷的，它检测信号并传递信号
• 一个放大器，在信号被记录用于分析之前增强信号

将望远镜连接在一起：干涉测量法

再大的单个天线盘也无法与光学望远镜能实现的精细细节相匹配。NRAO解释说，射电天文学家用干涉测量法解决这个问题：将几个天线指向同一物体，并使用一台称为关联器的超级计算机来合并它们的信号，就好像它们来自一台巨大的望远镜一样。由于同样的宇宙信号在稍微不同的瞬间到达每个天线，由此产生的时间差让天文学家可以重建远比任何单个天线盘单独捕捉的细节更多的细节。NRAO指出，关联器可以以飞秒速度运行，每秒执行高达16万亿次操作，其甚长基线阵列在各大洲之间铺设天线，通过精确度为纳秒级的氢微波原子钟同步。

用地球大小的望远镜为黑洞成像

这种技术最清楚的演示是事件视界望远镜（EHT）。根据NRAO的说法，它连接了分布在全球各地的八台地基射电望远镜，这些望远镜在2017年的一次活动中一起观测，使用甚长基线干涉测量法，使它们成为了一台大约地球大小的单一仪器。每台望远镜每天记录大约350万亿字节的数据；这些记录后来被运送到马克斯·普朗克射电天文学研究所和麻省理工学院海栈天文台的专业关联器进行合并。

目标是星系M87中心的超大质量黑洞。它的事件视界跨度约为400亿公里，但从地球上看，其阴影周围的亮环只有约40微角秒宽——NRAO将这一尺度比作"在月球表面测量信用卡的长度"。合并的数据产生了黑洞阴影的第一张图像。

捕捉来自整个宇宙的转瞬即逝的闪光

并非所有射电望远镜都依赖天线盘。加拿大氢强度映射实验（CHIME）位于英属哥伦比亚的多明尼恩射电天体物理天文台，根据麻省理工学院物理系的说法，使用四个固定的半管状圆柱形反射镜，没有活动部件。它的关联器不依赖转向硬件，而是每秒处理大约7万亿比特的数据，以数字方式重建来自天空中数千个方向的同时到达的信号。

这种设计使CHIME在捕捉快速无线电爆发（FRB）方面非常有效，快速无线电爆发是来自深空的毫秒级无线电能量闪光。在其首个运行年份2018-2019年间，CHIME探测到535个新的FRB，接近将当时全球已知的大约140次爆发的数量翻了近四倍，麻省理工学院物理系报道。这些收获包括18个重复爆发的来源，这一模式表明重复和一次性FRB可能来自不同的天体物理机制。

世界上最大的天线盘及其后续

中国的五百米口径球面射电望远镜（FAST）建在贵州省一个自然山谷中，根据EarthSky的说法，有一个由约4400块可调节铝板组成的500米天线盘，在任何给定的时间内给它约300米的有效口径。它观测从10厘米到4.3米的波长，其收集面积大约是305米阿雷西博天线盘的两倍，而它在大小上超越了这个天线盘。FAST在2020年1月全面投入运行，并从2021年8月开始将其约10%的观测时间分配给国际研究人员。

这种灵敏度已转化为创纪录的脉冲星收获——快速旋转的中子星，像灯塔一样将无线电波束扫过地球。据中国国家广播电视总公司（CGTN）报道，截至2025年10月，FAST已确认1,152颗脉冲星，超过同期全球其他望远镜发现的总和。

规模上的下一个飞跃已经在建设中。根据SKA天文台对该项目的说法，它正在建设两个互补的阵列：西澳大利亚的SKA-Low，有131,072个天线分布在最大基线74公里处，以及南非的SKA-Mid，有197个天线盘跨越最大基线150公里。这两个地点合在一起旨在让天文学家以超过现有仪器所允许的更详细的方式研究星系结构、黑洞周围的环境和引力波。