無線電望遠鏡如何探測來自深太空的信號

無線電望遠鏡看起來不像光學望遠鏡，但它們的工作原理相同：收集光、聚焦並分析。區別在於波長。根據美國國家無線電天文學觀測台（NRAO），無線電望遠鏡觀測的波長大約在1毫米到10米之間，遠長於可見光的幾百納米，這就是為什麼它們的「鏡頭」是金屬盤而不是玻璃。

將微弱的低語轉化為可用數據

NRAO形容宇宙無線電信號極其微弱，指出單個手機信號的功率大約是這些望遠鏡設計用來探測的微弱宇宙無線電波的十億倍。要捕捉到任何有用的信號，無線電望遠鏡需要一個大的收集區域和靈敏的電子設備。

• 拋物面盤，其彎曲的形狀將來自的無線電波反射到上方的一個焦點
• 焦點處的饋源喇叭，一個根據所研究波長尺寸的金屬漏斗，將波導入接收器
• 接收器，通常是超冷的，用於檢測信號並將其傳遞出去
• 放大器，在記錄信號進行分析之前將其放大

將望遠鏡連接在一起：干涉測量法

單個天線盤再大也無法匹配光學望遠鏡能達到的細微細節。NRAO解釋說無線電天文學家用干涉測量法解決這個問題：將幾個天線指向同一物體，並使用一台稱為相關器的超級計算機將它們的信號組合，就像它們來自一個巨大的望遠鏡一樣。由於相同的宇宙信號到達每個天線的時間略有不同，所產生的時間差異使天文學家能夠重建遠多於單個天線盤單獨捕捉的細節。NRAO指出相關器可以以飛秒速度運行，每秒可執行多達16千萬億次操作，其甚長基線陣列將天線分佈在各大洲，由氫微波鐘原子鐘同步，精確度達到幾十億分之一秒。

用地球大小的望遠鏡給黑洞成像

這項技術最清晰的展示是事件視界望遠鏡（EHT）。根據NRAO，它連接了分佈在全球各地的八台地面無線電望遠鏡，這些望遠鏡在2017年的一次觀測活動中一起使用超長基線干涉測量法進行觀測，使得它們像一個大約地球大小的單一儀器一樣工作。每台望遠鏡每天記錄大約350太字節的數據；這些記錄後來被運送到馬克斯·普朗克無線電天文學研究所和麻省理工學院干草堆天文台的專門相關器中進行組合。

目標是位於星系M87中心的超大質量黑洞。其事件視界大約跨越40億公里，然而從地球上看，其周圍明亮的光環只測量到大約40微角秒寬——NRAO將這種尺度比作「測量月球表面信用卡的長度」。組合的數據產生了有史以來第一張黑洞陰影的圖像。

捕捉來自宇宙各地的瞬間閃光

並非所有無線電望遠鏡都依賴於天線盤。根據麻省理工學院物理系，加拿大CHIME（加拿大氫強度測圖實驗）位於不列顛哥倫比亞省的多米尼恩無線電天體物理觀測台，使用四個固定的、半管形狀的圓柱反射器，沒有可動部件。它沒有轉向硬件，而是它的相關器每秒處理大約7太比特的數據，以數字方式重建來自天空中數千個方向同時到達的信號。

這種設計使CHIME在捕捉快速無線電暴發（FRB）方面特別有效，這是來自深太空的毫秒長的無線電能量閃光。在其首個運行年份2018-2019年，CHIME檢測到535個新的FRB，幾乎是到那時世界上已知的大約140次暴發的四倍，麻省理工學院物理系報導。檢測到的包括18個重複爆發的來源，這一模式表明重複的和一次性的FRB可能來自不同的天體物理機制。

世界上最大的天線盤及其後續發展

根據EarthSky，中國的五百米口徑球面無線電望遠鏡（FAST）建造在貴州省的一個天然山谷中，有一個500米的天線盤，由大約4400個可調的鋁製面板製成，在任何給定時間給予約300米的有效口徑。它觀測波長從10厘米到4.3米，並擁有大約305米阿雷西博天線盤的兩倍的收集區域，超過了它的規模。FAST在2020年1月全面投入運營，並在2021年8月開始將其約10%的觀測時間分配給國際研究人員。

這種靈敏度轉化為前所未有的脈衝星收穫——快速旋轉的中子星，像燈塔一樣掃過經過地球的無線電波。截至2025年10月，FAST已識別1152顆脈衝星，超過同期全球其他望遠鏡發現的總數，中國國家廣播電視總台CGTN報導。

下一次規模的飛躍已經在建設中。根據SKA天文台對該項目的描述，它正在建造兩個互補的陣列：位於澳大利亞西部的SKA-Low，擁有131072個天線，分佈在最大基線74公里，以及位於南非的SKA-Mid，擁有197個天線盤，跨越最大基線150公里。這兩個觀測地點的目的是讓天文學家能夠比現有儀器更詳細地研究星系結構、黑洞周圍的環境和重力波。